江苏省特种设备安全监督检验研究院徐州分院 江苏徐州 221006
摘要：本文主要对还原尾气管道失效进行分析。
主要研究内容为:其材质为316不锈钢，无夹套、无冷却；原规格为Ø114.3×3.05，其设计温度：280℃，实际使用温度：因还原冷却控制不当，有超温运行工况存在，超温运行温度450℃左右，运行压力：0.4-0.50MPa介质：SiCl4、SiHCl3、H2、Si、HCl粉等。
关键词：还原尾气管道；失效分析
1、概况
外观显示，管道表面有大量的铁锈存在，颜色较深，将铁锈打磨掉之后发现有大量深浅不一的腐蚀坑存在。
2、壁厚测试
采用砂纸对还原炉尾气管切割端口进行打磨，去除切割过程中产生的毛刺，然后用游标卡尺对管壁厚度进行测量。测量部位如上图A、B两端，测量结果如表1所示。
壁厚测试结果表明，A、B两处的厚度均在2.00mm左右，最厚为2.50mm，最薄为1.90mm，所测试的6个位置厚度波动较大。
与标准4寸管道尺寸相比，管道厚度减薄明显。
特别需要说明的是，壁厚测试并没有将腐蚀凹坑包括进去，如果考虑腐蚀坑，那么有效壁厚保守估计要再减少0.2-0.3mm左右，这样最薄壁厚可以按1.6mm计算。
3、化学成分分析
表1为还原炉尾气管的化学成分测试结果。（美国ASTM A959-04对应中国GB/T 20878-2007，316L对应旧牌号00Cr17Ni14Mo2，对应新牌号022Cr17Ni12Mo2；316对应旧牌号0Cr17Ni2Mo2，对应新牌号06Cr17Ni2Mo2）
表1 还原炉尾气管化学成分
化学成分结果显示，化学元素含量均满足316L不锈钢标准，而不是企业提供的316不锈钢。
316L不锈钢与316不锈钢相比，碳含量降低，具有良好的焊接性能、耐热性及耐氧化性能，其耐碳化物析出的性能比316不锈钢更好。但是对于450℃以上的使用环境，由于316L强度下降很快，其使用受到限制，再GB20801.2-2006 《压力管道规范 工业管道 第2部分 材料》第6.5（b）中规定：超低碳不锈钢不宜在425℃以上长期服役。
4、壁厚校核
1.最高工作压力：Pw=0.85MPa,按还原炉设计压力。
2.材料许用应力：
按316L，［σ］450=71MPa，查GB150-2011表8（钢管标准GB/T24593 ≤4mm),大于450℃无数据。
3.腐蚀裕量：C=0.30mm,腐蚀裕量不明，暂定。
4.焊接接头系数：
φ=1.0，无缝钢管按450℃计算δ=[Pw×Do/(2×[σ]450×Φ+Pw)]+C
=[0.85×114.3/(2×71×1.0+0.85)]+0.30
=0.71mm
因实际使用温度450左右，且还原尾气冷却控制条件不稳定，若考虑极端工况，为安全起见，可取安全厚度为0.80mm。
腐蚀速度（3.05-1.60）/5年=0.30mm/年，考虑留0.8mm作用壁厚，保守估计（1.6-0.8）/0.3=2.6年。注意由于后期材质性能下降等因素的影响，腐蚀速度可能快于计算腐蚀速度，所以保守估计2年作用运行，还要有监控措施。
另外需要说明的是如果壁厚小于1mm之后，管道的刚性也有问题，也将带来运行问题，需慎重考虑是否要继续服役。
5、金相组织分析
图5、图6分别为1#弯管和2#直管金相组织。
金相照片显示，还原炉尾气管组织为奥氏体，但在晶粒内部可以很明显地看到因不锈钢管道冷加工而产生的滑移线，且不同取向的晶粒滑移线的密度不同，部分晶粒内部出现位错及孪晶。由于冷加工产生的滑移线、位错、孪晶等微观缺陷，在残余应力及特殊环境的共同作用下，对不锈钢管的腐蚀带来影响。
另外，在1#弯管的内表面能够发现明显的蚀坑，与宏观形貌检查对应。
6、腐蚀机理分析
根据企业提供的情况，还原炉尾气管在使用过程中存在大量SiCl4、SiHCl3、H2、Si、HCl，且温度高达450多度。
一般条件下，在金属表面会发生腐蚀生成钝化膜，生成的钝化膜光滑致密，为金属建立一个能抵抗氧和别的气体进一步扩散的屏障。但实际上，在金属/钝化膜界面处，氯化氢通过保护性钝化膜到达该处，使该处的氯化氢分压较高。当氯化氢分压大小达到一定程度时，氯化物就成了稳定相，氯化氢腐蚀金属生成氯化物。金属界面上的HCl与合金材料中Fe、Cr等金属元素发生如下反应，生成氯化物，破坏合金基体。
Fe+2HCl→FeCl2+H2
Cr+2HCl→CrCl2+H2
2Fe+6HCl→2FeCl3+3H2
另外，使用温度对腐蚀的影响很大。理论上腐蚀速率与温度呈指数关系，随着温度的升高腐蚀不断加剧。
7、结论
（1）从宏观形貌看，弯管内表面存在大量的腐蚀产物，颜色深浅不一，腐蚀严重。直管内表面经打磨后发现大量深浅不一、分布不均的腐蚀坑，属于点腐蚀。
（2）壁厚测试结果表明，不锈钢管最厚为2.50mm，最薄为1.90mm，所测试的6个位置厚度波动较大，管道厚度减薄明显。考虑腐蚀坑，那么有效壁厚保守估计要再减少0.2-0.3mm左右，这样最薄壁厚可以按1.6mm计算。
（3）化学成分满足316L不锈钢标准，而不是企业所提供的316不锈钢。316L含碳量低，焊接性能优良，耐腐蚀性能与316相当，但超低碳不锈钢不宜在425℃以上长期服役。
（4）在实际使用过程中，尾气的温度在450℃左右，而不锈钢管的腐蚀速率与温度呈指数关系，随温度升高腐蚀不断加剧。
（5）金相照片显示，还原炉尾气管组织为奥氏体，但在晶粒内部可以很明显地看到因不锈钢管道冷加工而产生的滑移线，且不同取向的晶粒滑移线的密度不同，部分晶粒内部出现位错及孪晶。由于冷加工产生的滑移线、位错、孪晶等微观缺陷，在残余应力及特殊环境的共同作用下，对不锈钢管的腐蚀带来影响。
（6）能谱结果表明，腐蚀产物中含有较多的Cl、Si等元素，这和该管道的运行环境相符合，说明氯硅烷类介质对该管道腐蚀作用明显。见腐蚀机理分析部分。
（7）扫描电镜结果显示，不锈钢管内表面存在大量深浅不一、分布不均的腐蚀坑，表面高低不平。部分区域的腐蚀坑已经连接成片，形成大的腐蚀坑，属于典型的点腐蚀。同时在点腐蚀坑深部存在微裂纹，判断应属于应力腐蚀裂纹。将严重影响今后运行，会有裂纹的扩展及腐蚀坑加剧，严重时会有表面的剥落。
点腐蚀是在较高温度下，由于环境中含有大量氯化物、氢等导致，应力腐蚀则是由于不锈钢管在冷加工过程中存在加工应力，继而在腐蚀性环境作用下、在点腐蚀坑深部诱发应力腐蚀裂纹。
（8） 保守估计2年作用运行，还要有监控措施，重点做好尾气冷却控制，避免超温运行。另外需要说明的是如果壁厚小于1mm之后，管道的刚性也有问题，也将带来运行问题，需慎重考虑是否要继续服役。
论文作者:王建
论文发表刊物:《基层建设》2017年第7期
论文发表时间:2017/7/13
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