（动力机械及工程专业论文）加氢脱酸装置管线安全性评估.pdf

大连理工大学硕+ 学位论文 摘要 某石化公司加氢脱酸装置的管线于1 9 9 0 年建成，1 9 9 6 年投入使用，其具体参数为： 管线材质为1 c r l 8 n i 9 t i ( 无缝钢管) ；管线规格0 2 1 9 2 0 6 2 ；操作压力为4 5 m p a ； 操作温度为2 3 0 2 7 0 ；介质为常减压侧线油( 常二、常三、减二、减三) 、氢气、硫化 氢，并且有氯离子存在。加氢脱酸装置的管线在高温、应力和腐蚀介质等恶劣条件下运 行了十一年，材料的组织结构会发生显著变化，严重影响设备运行的安全性。所以其安 全情况如何，是否可以继续使用是必须解决的重大问题。因此，需要从腐蚀和疲劳两方 面对其安全性进行评估。 经宏观检测，管子内壁出现了腐蚀现象，产生了棕黑色腐蚀层，并产生了众多沿管 道周向的小裂纹。经过对材料组织腐蚀产物检测、金相组织检测等多项微观检测，得知 管材在轧制的过程中产生了大量偏析的带状组织，因而组织自身存在着组织内应力。管 道材料在组织内应力和外部腐蚀环境特别是氯离子的长期作用下产生了应力腐蚀。 本文采用带环状缺口圆柱形试样，进行了管线材料多维应力状态下不同缺口形式的 高温低周疲劳总寿命试验。利用有限元软件a n s y s 对试样进行了应力、应变场分析， 得到了试样危险点处当量应力、应变，根据v o nm i s e s 当量理论，求出了试样危险点的 当量塑性应变范围，最后利用最d , - 乘回归方法及m a n s o n - - c o f f i n 公式，得到了该材 料高温低周疲劳总寿命方程。 用有限元软件a n s y s 建立管线模型，模拟管线实际工作状态，进行管线实际工作 条件下的温度场、应力场及应变场计算。将实际受载下的当量应变范围带入高温低周疲 劳总寿命方程，从而进行管线剩余寿命预测。 关键词：奥氏体不锈钢；高温低周疲劳；腐蚀；模拟； 加氢脱酸装置管线安全性评估 t h es a f e t ya s s e s s m e n to fp i p ei ne q u i p m e n tf o rh y d r o g e n a t i o na n d d e a c i d i f i c a t i o n a b s t ra c t t h ep i p ew a sb u i l ti n19 9 0a n di tw a sp u ti n t os e r v i c ei n19 9 6 ，t h es p e c i f i cp a r a m e t e r s a r e ：t h em a t e r i a li s1 c r l 8 n i 9 t i ；t h es i z ei sq ) 2 1 9 x 2 0 6 2 ；t h eo p e r a t i n gp r e s s u r ei s4 5 m p a ；t h e o p e r a t i n gt e m p e r a t u r ei s2 3 0 - 2 7 0 。c ；t h et r a n s p o r t i n gf l u i di sd e c o m p r e s s i o nl i n eo i l ，a n di t c o n t a i n sh y d r o g e n ，h y d r o g e ns u l f i d ea n dc h l o r i d ei o n t h ep i p eh a sb e e no p e r a t e df o re l e v e n y e a r s ，a n dt h em a t e r i a lm a yd e g e n e r a t e ，s oi ti su r g e n tt oa s s e s st h es a f e t yo f t h ep i p ef r o mt h e a s p e c t so fc o r r o s i o na n df a t i g u e i t i sf o u n di nt h em a c r o - d e t e c t i o nt h a tt h e r ei sb r o w nc o r r o s i o nl a y e ro ni t si n t e r n a l s u r f a c e ，a n dg r e a td e a l so fs m a l lc r a c k sa r ed i s t r i b u t e dc i r c u m f e r e n t i a l l y am i c r o - s t r u c t u r e d e t e c t i o no ft h ec o r r o s i o nl a y e ra n dm e t a l l u r g i c a ls t r u c t u r ef o rt h ep i p e l i n em a t e r i a lw a s c a r r i e do n a n dt h er e s u l t sp r o v eg r e a tq u a n t i t i e so fb a n d e ds t r u c t u r e sw e r ec a u s e di nt h e f a b r i c a t i o np r o c e s s ，s ot h a tt h e r ei si n t e r n a ls t r e s si nt h em i c r o s t r u c t u r e t h ei n t e r n a ls t r e s s a n dt h ec o r r o s i v ee n v i r o n m e n t ，e s p e c i a l l yt h ec h l o r i d ei o n ，m a d et h ep i p ec o r r o d e d i nt h i sp a p e r ，t h et e s t sf o rt h el i f eo fl o wc y c l ef a t i g u ea th i g ht e m p e r a t u r ea r ec a r r i e do n u n d e rm u l t i a x i a ls t a t ew i t ht h ec y l i n d r i c a ls p e c i m e n so fd i f f e r e n tn o t c h e s t h es t r e s sa n d s t r a i nf i e l d so ft h es p e c i m e n sa r ea n a l y z e db yt h ef e ms o f t w a r ea n s y s ，a n dt h ee q u i v a l e n t p l a s t i cs t r a i nr a n g e so fd a n g e rp o i n ta r ec a l c u l a t e dt h r o u g ht h ev o nm i s e se q u i v a l e n tt h e o r y a c c o r d i n gt o t h er e s u l t s ，t h em a n s o n - - c o f f i ne q u a t i o na n dt h el e a s t s q u a r er e g r e s s i o n m e t h o d ，t h ee q u a t i o n st oe v a l u a t et h el i f eo fl o wc y c l ef a t i g u ea th i g ht e m p e r a t u r ea r e o b t a i n e d b yt h es o f t w a r ea n s y st h em o d e lo ft h ep i p ei se s t a b l i s h e da n dt h eo p e r a t i n gs t a t ei s s i m u l a t e d s ot h es t r e s s s t r a i nf i e l d so ft h ep i p ei nr e a lo p e r a t i o na r ec a l c u l a t e d a n dt h e nt h e r e m a i n i n gl i f e i se v a l u a t e dt h r o u g hb r i n g i n gt h ee q u i v a l e n tp l a s t i cs t r a i nr a n g ei n t ot h e e q u a t i o nf o rl i f eo fl o wc y c l ef a t i g u ea th i g ht e m p e r a t u r e k e yw o r d s ：a u s t e n i t i cs t a i n l e s ss t e e l ；l o wc y c l ef a t i g u ea th i g ht e m p e r a t u r e ；c o r r o s i o n ； s i m u l a t i o n ； 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目：杰! 氢脱酸装量篁绫塞全性迁鱼 作者签名：菇游卜 日期：掣丑年止月丝日 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 作者签名： 导师签名： 日期：邋年业月选日 日期：谚犯月丝日 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1课题来源 某石化公司的润滑油生产采用糠醛精制为主，由于原料酸值相对较高，易造成糠醛 结焦、腐蚀设备，为此，润滑油馏分必须经过加氢精制脱酸。该公司加氢脱酸装置的管 线于1 9 9 0 年建成，1 9 9 6 年投入使用，其具体参数如下：管线材质为1 c r l 8 n i 9 t i ( 无缝 钢管) ；管线规格0 2 1 9 2 0 6 2 ；操作压力为4 5 m p a ：操作温度为2 3 0 2 7 0 ；介质为 常减压侧线油( 常二、常三、减二、减三) 、氢气、硫化氢。该部分管线已经运行十一年， 在使用过程中，发现有氯离子存在，氯离子对不锈钢管线有着相当严重的危害，所以其 安全情况如何，是否可以继续使用是必须解决的重大问题。因此，此石化公司委托大连 理工大学对其加氢脱酸装置管线安全性进行评估。 1 2 论文选题的目的及意义 加氢脱酸装置的管线长期在高温、应力和腐蚀介质等恶劣条件下运行，材料的组织 结构会发生显著变化，严重影响设备运行的安全性。因此开展管道设备材质失效和性能 下降的早期预报，尤其是对在役管道的运行安全性进行合理预测，具有重大的经济意义。 1 3 本文研究目标与研究内容 本文通过宏观及微观检测手段分析管线腐蚀及破坏情况，采用有限元模拟与高温低 周疲劳试验相接合的方法来评估管线剩余寿命，然后根据上述两项所得结果综合评定管 线的安全性。具体内容包括： ( 1 ) 管线内壁附近裂纹、腐蚀以及缺陷宏观检测； ( 2 ) 管线材料化学成份分析，主要包括常规元素以及与管材材质相对应的元素： ( 3 ) 管线材料机械性能试验：主要包括常温及使用温度下的、吒、甲、万、e 、 等性能指标测定； ( 4 ) 管线内腐蚀产物检验、分析； ( 5 ) 管线材料组织分析，主要包括管线所用材料金相组织检验、分析； ( 6 ) 管线材料高温低周疲劳总寿命试验及有限元模拟分析； ( 7 ) 管线模型建立以及管线实际工作条件下温度场分析计算、管线实际工作条件下 应力场分析计算。 加氢脱酸装置管线安全性评估 ( 8 ) 根据模拟计算结果，预测管线材料剩余寿命，评价其安全性。 人连理人学顾 学位论文 2 管线内壁缺陷检测 21 管壁内表面宏观分析 为了检测加氢管线内表丽的缺陷情况，首先分别从加氢管线的两端和巾b j 截散了二 段长度为1 8 0 m m 的实验管线，然后再把每个实验管线用冷加工的形式均匀切割成4 个 扇形试件，苊1 2 个实验试件，分成三组。编号分别为1 1 ，1 2 ，通过宏观观察发 现管子的内裘面成棕黑色，沿管子用向分布肴大量的小裂纹，小裂纹长度为i 3 m m ，腐 蚀及小裂纹的形态与分靠如图21 25 所示。 剧2 i 箭逍内带表面 f i g2l i n t e r n a ls u r f a c eo f t h ep i p e 川氢脱酸姨肖笆线篮伞性汁估 幽2 2 符道山鼙表面 f i g2 2 i n t e r n a ls u r f a c e o f t h ep i p e 吲2 3 嵌层打堵厉符道内蛙表面 f i g2 3 g r i n d e di n t e r n a ls u r f a c eo f t h ep i p e 人造珲1 人学硕l 化论文 幽2 4 管道出晕形貌 f i g2 4m o r p h o l o g y o f t h e i n t e m a ls u r f a c e 幽2 5 表膳打暗肝管道山鼙形貌 f i g2 5m o r p h o l o g yo f t h eg r i n d e di n t e m a ls u r f a c e 加氢脱酸浆置管线宜_ 全性评估 由罔2 】u 丁以看出，管子内表面存在着大量的红褐也及黄色腐蚀产物。由图22 、图 23 可以看出管于内表面分靠着大量的沿管子周向的小裂纹，而没自发现沿着管子轴线 方向的裂纹。图2 4 及图25 为放大内表面小裂纹照片。山图”r 以看出管线内壁小裂纹 均为沿管子_ l 爿向分布，长度约在1 3 r a m 之间，且密度较大。 22 管壁内表面渗透探伤实验 对试件的内衷而进行了打磨抛光处理，对管r 内壁进行打磨约0 】一o2 r i m l 后，管r 内壁表面形貌特征如图26 所示： 幽2 6 表层扣縻至宏观裂纹消火j 亓管道山肇表而 f i g26 i n t e r n a ls u r f a c eg r i n d e du n t i lt h ec r a c k sd i s a p p e a r 通过打磨后宏观观测，叮以看出该管子内表面小裂纹均已不存在，说明管内密集 分布的小裂纹深度不大。为进一步榆测管子内壁小裂纹深度，对表面进行着色实验。 分别时1 2 个实验试件进行液体渗透探伤实验，实骑结果如图27 以9 所示： 人吐理人学硕十学位论文 幽27 着色探协实螗锰色结果 f i g2 7 r e s u l to f l i q u i dp e n e t r a n tt e s l 幽28 着色探伽实驰罹色结粜 f i g2 8 r e s u l to f l i q u i dp e n e t r a n t l e s t 加钮脱艘姓置管线立个肚平聃 酬2 91 芹色捌伤实螗疆色结果 f i g2 9 r e s u h so f l i q u i dp e n e t r a mt e s t 加氧管线内表面渗透探协实验结果表明：经过打磨后加氢管线内壁表而周及轴_ 均未发现有裂纹存许。 大连理j = 大学硕士学位论文 3 管线材料化学成分分析 用冷加工方式对管线取料，进行管线内壁及外壁化学成分分析，管线内壁及外壁化 学成分分析结果如表3 1 、表3 2 所示。 表3 1 管线内壁化学元素含量 元素 cm r ls i psc rn it i 含量( )0 0 4 51 7 60 4 50 0 2 50 0 l1 7 7 21 0 5 70 3 6 表3 2 管线外壁化学元素含量 元素cm 1 1s ipsc rn it i 含量( )0 0 4 51 7 70 4 60 0 2 5o 0 11 7 7 21 0 5 8o 3 5 流体输送与热交换器用不锈钢无缝钢管的化学成分国家标准( g b t1 4 9 7 6 ，g b t 1 3 2 9 6 ) 中，对1 c r l 8 n i 9 t i 钢管要求如下： 表3 3 1 c r l8 n i 9 t i 化学成分国家标准 元素cm ns ipsc rn it i 含量( ) 耋0 1 2兰2 o三1 0 兰00 3 5三0 0 3 0 1 7 0 一1 9 08 0 1 1 0 至5 ( c 一0 0 2 瑚8 0 由此可见，管线材料化学成分符合国家标准。 加氢脱酸装置管线安全性评估 4 管线材料机械性能试验 对管线材料进行机械性能试验，沿管线轴线方向采用冷加工方式切割试件并加工成 标准试件，在m t s 材料试验系统上进行拉伸试验。拉伸试件尺寸如图4 1 所示。 黾j o 8 州 f i村 b i 爿7 f 一 3 q 一一 3 0 一 _r 1 0 0 图4 1 拉伸试件 f i g 4 1 s p e c i m e nf o rt e n s i l et e s t 分别对试件进行常温及工作温度( 2 7 0 。( 2 ) 下机械性能试验 4 1管线材料常温机械性能试验 试件拉伸过程中，均匀变细，没有屈服现象，断1 ：3 与横截面成4 5 度角，为塑性断 裂断1 ：3 。拉伸前后试件形态如图4 2 所示。 人迮理i 凡学硕十学位沦吏 即哩 凄 目4 2 拉仲断裂试“与原试州蔚比 f i g42o r i g i n a la n df r a c t u r e ds p e c i m e n s 取一组实驻数据、r 均恤进仃l l 算，纷粜如卜： 扎仲前工作段k 度f = 4 0 m m ： 拉仲后t 作段k 度7 l2 。1 卅”： 拉伸村械l f f j 而积：a = 31 4 2 3 22 82 7 8 m m ! ； 拉伸后截而而积：l 531 4 2 。1 9 5 2 1 1 9 5 m m 3 ： 强度极限：吒2 5 9 9 9 坳“： 屈服极限：氏，22 5 8 m 阳： 断后伸鲫、：j = 与! 一o * = 产x 1 0 0 * - 5 2 5 * 断面收粹y = 旦圳。= 堡篆竽1 0 0 = 5 7 ，6 * 弹匪模量e = 19 7 1 0 m p a ： 常温条件下管线材利机械川埔参数如袭41 所示。 加氢脱酸装置管线安全性评估 表4 。1常温拉伸力学性能检测结果 项目 o o 2o b 艿e ( m p a ) ( m p a )( ) ( ) ( 1 0 5 m p a ) 数值2 5 85 9 9 95 2 55 7 7 60 0 2 81 9 7 t 表4 2 11 c r l 8 n i 9 t i 力学性能国家标准 如4 2 1m e c h a n i c a lp r o p e r t yo f c r l8 n i 9 t ii 1 1n a t i o n a ls t a n c 项目 a o2吒 万e ( 2 0 时) ( m p a ) ( m p a )( ) ( 1 0 5 m p a ) 数值 2 0 55 2 03 51 9 8 与表4 2 1 c r l 8 n i 9 t i 力学性能国家标准进行比较可见，管子材料在常温下各项力学 性能均符合国家标准。 4 2管线材料工作温度( 2 7 0 ) 机械性能试验 加氢脱酸管线使用温度为2 3 0 2 7 0 。c ，从偏于安全角度考虑，实验温度取其最高使 用温度2 7 0 c 。 取一组实验数据平均值进行计算，结果如下： 拉伸前工作段长度，= 4 0 m m ： 拉伸后工作段长度= 5 2 - 2 r a m ； 拉伸前截面面积：a = 3 1 4 2 x 3 2 = 2 8 2 7 8 m m 2 ； 拉伸后截面面积：a l 2 3 1 4 2 1 9 5 2 = 1 1 9 5 聊m ； 强度极限：o b 2 4 2 3 7 m p a ； 屈服极限：f r o 2 2 1 6 2 9 m p a ； 断后伸长率：；万= 【( f l 1 ) 1 xl o o = ( 5 2 2 4 0 ) 4 0 1 0 0 = 3 0 5 断面收粹沙= 等1 0 0 = 等x 1 0 。= 5 7 7 6 ： 弹性模量：e = 0 6 8 x 1 0 5 m p a 一1 2 大连理工大学硕士学位论文 2 7 0 条件下管线材料机械性能参数如表4 3 所示。 表4 32 7 0 。c 下拉伸力学性能检测结果 项目 c r o2 万l e ( m p a ) ( m p a ) ( ) ( ) ( 1 0 5 m p a ) 数值 1 6 2 9 4 2 3 73 0 55 7 7 6 0 0 2 9 o 6 8 表4 2 2l c r l 8 n i 9 t i 力学性能国家标准 项目 o - o 2 万 e ( 2 7 0 时) ( m p a ) ( m p a )( ) ( 1 0 5 m p a ) 数值2 0 55 2 0 3 51 8 3 由2 7 0 条件下试验结果可以看出，该材料在2 7 0 时力学性能较常温状态下有较 大程度的降低。因此需对其强度及安全性条件进一步分析计算。 托麓般置管线宜全性词7 估 5 管线内表面腐蚀微观检j 则 51管线内表面腐蚀产物检测 利刚手 捕电镜j 偕线谩表面f r i ，f 蚀卢物进行榆测，e 扁蚀表而层艟微_ l _ ：；忐圳割 5 1 、幽52 所不。j ：jh | 能谱埘腐蚀产：自迸j ，定肚定量分析，儿分析结粜刘表5 i 、表5 2 所示。 i ! j l u 镜幽片：内糍表而膨驶3 5 x f 嘻；i 1 7 x t c ：h a ls u r f a c eo b s e r x e d l ys e m3 5 。 t a b5 戒5 ll 剖5 i 取样处元亲含草 l ”。 sc 】ik 1 ： o3 9o 】8 03 67 04 6 o3 70 】6 0 2 03 79 8 大连理1 人学硕十。毕位浩立 h5 2 扫描i u 镜h 片内聃表而形貌6 0 0 f i g5 2 e x t er n a ls u r f a c eo b s e r v e db ys e m6 0 0 表52h5 2 取样处兀豪古* 元亲 质量分数 原子分数( 叼 2 08 8l4 2o2 3l0 804 6 出扫描电镜及能谱分析结果l 知，管道内壁腐诎产物主要由c 、o 、n a 、a i 、s i 、s c l 、k 、c a 、c r 、m n 、f e 、n i 等兀素构成 明陔种材料存存氯离子腐蚀及硫离子腐蚀 或应力腐蚀。 由1 腐蚀产物中存在c l 、s 、o 等兀誊，蜕 对于不锈钢而言c f 一会对材料造成鼎间腐蚀 52 管线内表面腐蚀层深度检测 刘靠近管线内肇处材料取样并用镶嵌法制成试样，, r jj 7 j 显微镜进行检测。沿壁厚哳 面方向腐蚀形貌及腐蚀深度如图53 、图54 所示。 加氢脱酸装置管线安全性评f 刚53 沿肇厚断面方向腐蚀形貌5 0 x f i g5 3 c r o s ss e c t i o no f t h ep i p e5 0 剀5 4 “i 毕悍断l 订向脑蚀形瓤1 0 0 x f i g54 c r o s ss e c l i o no f t h ep i p e1 0 0 x 1 5 0um 大连理工大学硕士学位论文 介质对管线内壁腐蚀造成了管子内壁存在大量腐蚀坑。由图5 3 、图5 4 可见，腐蚀 产物侵入基体组织6 0 t m 左右，从宏观上观察形成宏观小裂纹，这些小裂纹是由于腐蚀 坑连接而形成的，其形态如图2 4 、图2 5 所示。 5 3 不锈钢腐蚀分析 不锈钢耐腐蚀是由于在不锈钢表面生成了一层氧化铬薄膜。这层膜一旦遭到破坏， 钢中的铬与大气中的氧发生化学反应就能迅速地恢复这层薄膜，同时，机械损伤也z 月, 匕e 一4 k 1 3 快再生成一层保护薄膜。但是，如果受到离子的化学侵蚀，比如氯离子，可能难于抵抗 侵蚀，这就可能因氧气毫无阻挡地进入，而使腐蚀加剧。通常不锈钢的腐蚀形式有两种： 晶间腐蚀和应力腐蚀。 晶间腐蚀：指沿晶界进行的腐蚀，使晶粒的连接遭到破坏。这种腐蚀的危害性最大， 它可以使金属变脆或丧失强度，敲击时失去金属声响，易造成突然事故。晶间腐蚀为奥 氏体不锈钢的主要腐蚀形式，这是由于晶界区域与晶内成分或应力有差别，引起晶界区 域电极电位显著降低而造成的电极电位差别所致。 应力腐蚀：金属在腐蚀介质及应力( 外加应力或内应力) 的共同作用下产生腐蚀的 现象。腐蚀破坏断裂的方式主要是沿晶的、也有穿晶的，这是一种危险的低应力脆性断 裂、在氯化介质和碱性氧化物或其它水溶性介质中常发生应力腐蚀，在许多设备的事故 中占相当大的比例。 奥氏体不锈钢在4 5 0 - - 8 5 0 保温或缓慢冷却时，会出现晶间腐蚀。含碳量越高，晶 间蚀倾向性越大。此外，在焊接件的热影响区也会出现晶间腐蚀。这是由于在晶界上析 出富c r 的c r 2 3 c 6 。使其周围基体产生贫铬区，从而形成腐蚀原电池而造成的。 工程上常采用以下几种方法防止晶间腐蚀：( 1 ) 降低钢中的碳量，使钢中合碳量 低于平衡状态下在奥氏体内的饱和溶解度，即从根本上解决了铬的碳化物( c r 2 3 c 6 ) 在 晶界上析出的问题。通常钢中合碳量降至o 0 3 以下即可满足抗晶间腐蚀性能的要求。 ( 2 ) 加入t i 、n b 等能形成稳定碳化物( t i c 或n b c ) 的元素，避免在晶界上析出c r 2 3 c 6 ， 即可防上奥氏体不锈钢的晶间腐蚀。( 3 ) 通过调整钢中奥氏体形成元素与铁素体形成 元素的比例，使其具有奥氏体+ 铁素体双相组织，其中铁素体占5 一1 2 。这种双相 组织不易产生晶间腐蚀。( 4 ) 采用适当热处理工艺，可以防止晶间腐蚀，获得最佳的 耐蚀性。 应力腐蚀是一种常见的腐蚀现象。形成的条件是：( 1 ) 应力，可以是外加的，也可以 构件内的残余应力：( 2 ) 腐蚀性介质；( 3 ) 在该介质中能形成应力腐蚀裂纹的材料。三者 加氢脱酸装置管线安全性评估 耦合在一起时，没有裂纹的会出现裂纹，有原始裂纹的则会扩展，直至断裂。应力腐蚀 裂纹在发展过程中极易分叉扩展，呈树枝状裂纹。当裂纹的应力强度因子k ，小于材料 的临界应力腐蚀应力强度因子( k ，们) 时不会发生应力腐蚀裂纹扩展。当k ， k 艘时则 会发生应力腐蚀裂纹扩展。当k ，增大到材料的临界应力强度因子( k ，r ) 时裂纹会断裂。 应力腐蚀的发生与裂尖微区电化学的阳极反应有较为密切的联系。 n i c r 不锈钢在氧化性介质中的耐蚀性很好。但在非氧化介质中( 如盐酸) 的耐蚀性就 不好了。常用的c r l 8 n i 8 奥氏体不锈钢的应力腐蚀敏感性最大。奥氏体不锈钢容易 在含氯离子的腐蚀介质中产生应力腐蚀。当含n i 量达到8 一1 0 时，奥氏体不锈钢应 力腐蚀倾向性最大，继续增加含n i 量至4 5 - 5 0 应力腐蚀倾向逐渐减小，直至消失。 防止奥氏体不锈钢应力腐蚀的最主要途径是加入s i 至2 4 并从冶炼上将n 含量 控制在o 0 4 以下。此外还应尽量减少p 、s b 、b i 、a s 等杂质的含量。另外可选用a f 双相钢，它在a 一和o h 一介质中对应力腐蚀不敏感。当初始的微细裂纹遇到铁素体相后 不再继续扩展，铁素体含量应在6 左右。 大连理 _ 大学硕士学位论文 6 管线材料组织分析 6 1管线材料金相组织分析 碳在，一凡中的固溶体称为奥氏体。奥氏体为多面心立方晶格，是不规则多面体品 格，但晶界较直。 单相的奥氏体不锈钢具有良好的冷变形性能，可以冷拔成很细的钢丝，冷轧成很薄 的钢带或钢管。奥氏体不锈钢常用的热处理工艺有：( 1 ) 固溶处理。将钢加热到1 0 5 0 1 1 5 0 后水淬，主要目的是使碳化物溶于奥氏体中，并将此状态保留到室温，这样钢的 耐蚀性会有很大改善。为了防止晶问腐蚀，通常采用固溶化处理，使c r 2 3 c 6 溶于奥氏 体中，然后快速冷却。对于薄壁件可采用空冷，一般情况采用水冷。( 2 ) 稳定化处理。 一般是在固溶处理后进行，常用于含t i 、n b 的1 8 8 钢，固处理后，将钢加热到8 5 0 8 8 0 保温后空冷，此时c r 的碳化物完全溶解，而钛的碳化物不完全溶解，且在冷却过 程中充分析出，使碳不可能再形成铬的碳化物，因而有效地消除了晶问腐蚀。( 3 ) 去 应力处理。去应力处理是消除钢在冷加工或焊接后的残余应力的热处理工艺。一般加热 到3 0 0 - - 一3 5 0 回火。对于不含稳定化元素t i 、n b 的钢，加热温度不超过4 5 0 。c ，以免 析出铬的碳化物而引起晶间腐蚀。对于超低碳和含t i 、n b 不锈钢的冷加工件和焊接件， 需在5 0 0 9 5 0 ，加热，然后缓冷，消除应力( 消除焊接应力取上限温度) ，可以减轻 晶间腐蚀倾向并提高钢的应力腐蚀抗力。 1 c r l 8 n i 9 t i 是主要的奥氏体不锈钢之一。c r 的主要作用是提高抗氧化性，加n i 是 为了形成稳定的奥氏体组织，并与c r 相配合提高高温强度，t i 的作用通过形成碳化物 产生弥散强化，并防止晶间腐蚀。这类钢的特点是低碳高镍铬，组织为单相奥氏体，因 而具有良好的耐腐蚀性、冷热加工性及可焊性，高的塑、韧性。常用的热处理为固溶处 理后稳定化处理。 正常奥氏体钢的组织如图6 1 所示。 加氢脱酸袋置管线安全性评什 蚓6i 止常夔氏体铡的卦i 织 f i g6 1n o r m a la u s l e n l t e 埘管线材料取样进行组织分析。将管线材料制成试样，并经腐蚀处理后管壁靠近内 表和靠近外表币l 的组织形貌如图62 罔65 所示。 剀6 2 腐蚀处理后f h 瞥毕山侧附近组织形虢 1 0 0 f i g62 m i c r o s t r u c t u r co f t h ea r e a r i m e r n a ls u r f a c e 1 0 0 迕理i 人学砸十学位沦文 凹6 , 3 瞄蚀处理后 f i g63 m i c r o s l r u c t u r e 的管啦内侧附近维0 ：形彰15 0 0 x o f l h ea t e a 眦i n t 】s 眦f ac5 0 0 幽64 帽蚀处理后晌锆蠼外删附近组织形观5 0 0 x f i g6 4 m i c r o s t r u c t u r eo f t h ea r e an e a re x t e r n a ls u r f a c e5 0 0 加氢脱酸裟置管线安全性评估 麓 、全袅 蚓6 5 牖蚀处理斤的管毕外侧附近组织形靴5 0 0 x f i g65 m i c r o s t r u c t u r eo f t h ea r e an e a re x t e r n a ls u r f a c e5 0 0 由金相组织检测结粜可阻看山：管子材料的舆氏体组纵幕率t 常，制料内存有火杂 物，材料内部沿轧制方向形成带状组织，升沿特状组织有腐蚀柏析出。 62 带状组织观测分析 对管线取样并进行浅腐蚀处理后，带状组织微观形貌如图6 6 、图67 所示，其背散 刺电子h 像如陪68 、l 划6 9 所示。 人i 生理1 人7 硕h 学 t 论文 幽66 样品谴脚蚀处理后f * 状纽纵细口5 0 0 f i g66 t h eb a n d e ds t r u c t u r e5 0 0 幽67 样一悄泼腐蚀处! l 肝带状组织细口5 0 0 f i g67 t h eb a n d e ds r u c l t l r g5 0 0 x 加氢脱酸装置管线安全性评估 幽6 8 背敞射电r 像：试样农丽形貌i0 0 x f i g68 f l a e k s c a v t e r e de l e c t r o n i m a g eo f t h ep i p e m a t e r i a lb ys e m1 0 0 人迕理a 学碗 学位论文 ，y i m a g e2 ：0 7 1 1 1 4 2 b e i 1 _ 吲6 9 背散射电于像：试样表面形抗1 0 0 x f i g6 9 b a c k s c a t t e r e de l e c t r o ni m a g eo f t h ep i p em a t e r i a lb ys e ml o o x 通过图6 6 幽6 9 可以清晰的看到材料金桐组织中存在大量的带状组织。 在热加工亚艿析钢时，常发现钢中的铁索体与珠光体呈现带状分柑，这种组织称为 带状组织。带状组织与枝品偏析被沿j j u 工方向拉k 有关，它的存在降低钢的强度、塑陛 和冲击韧性，u r 以通过多次证火或扩散退火柬消除”。轧制锏中出现的带状组织棍多是 偏析的结果。偏析指钢铁内部成分的不均匀分柿现象。出现组纵偏析的原因主要有：( 1 ) 加工时温度不均匀，基体组织不均匀引起偏析。( 2 ) 产品加工州控制不均匀。( 3 ) 原 材料成分、组织偏析。 加氢脱酸装置管线安全性评估 6 3 带状组织成分分析 对试样带状组织部分进行检测，检测结果如图6 1 0 所示。 f | ien a m e f j iec o m m e n t p o s j t i o nc o n n e n t a o o v ( k v ) = 1 5 ：0 7 1 1 1 3 = ： b e a ns iz e ( l l l f l ) ：5 0 b c ( u a ) = 0 1 2 2 7s c ( u a ) = 0 0 8 3 9 c h 1r a p0 7 1 1 1 3 c h 3p e t0 7 1 1 1 3 正e 篁妊b r 仁j if ec r 捌坦 ir a t i o ic o r r e c t i o n ：r a t i ol e l e c r 带l a if l ( ) p k i - b 8 i 1 f e l i f 1 9 3 6 04 8 10 8 8 2c rk al i f2 2 8 9 71 4 3 9 1 5 8n ih al i f1 6 5 7 91 2 8 4nk ap b s t3 1 8 0 0 01 6 7 0 5t ll ( ap e t2 7 4 8 59 2 4 1 5 8ch ap b 8 t4 4 7 0 0 02 6 3 e 7s j 怕p e t7 1 2 5 44 5 1 9 8 lk ar p& 3 3 9 31 & 4 0 5 1 7 0 4 2 9 9 0 3 9 0 2 8 4 6 1 2 5 2 8 8 4 6 8 3 7 2 7 4 5 4 i r a f j 0 7 6 0 2 7 2 3 2 0 3 1 0 8 5 6 0 5 5 8 5 0 2 3 6 e 0 0 5 1 5 0 0 5 0 5 0 0 0 3 b c h 2p b s t0 7 1 1 13 c h 4l i f0 7 1 1 13 了【c o u n t s )：i e 、c r 刖i 盯善rr 盯以) 6 3 e 3 7 1 9 4 8 3 9 1 1 5 4 6 8 9 1 9 8 8 0 - 4 3 2 0 4 2 4 0 怕0 t o t a i 10 0 0 0 0 图6 1 0 带状组织的化学成分( 电子探针点分析) f i g 6 10 c h e m i c a lc o m p o s i t i o no fb a n d e ds t r u c t u r eb ye p m a 由检测结果可以看出，材料中存在的带状组织主要含有n 、t i 、c 、n 、f e 、n i 等 元素。 6 4 带状组织中元素分布检测 图6 1l 、图6 1 2 为电子探针扫描检测结果，带状组织的形貌以及各元素分布规律清 晰可见。 一2 6 一 e ef；lfcnntcs e ) 1 0 9 0 5 2 9 32838371v5 (3839977d 引乱ll置ll札乱 m 5 1 1 )9a叩计呲宕；回昭 人i 生理1 人一 碗i ：学似论文 酗6 1 1 电子探针面扫捕h 像 f i g61 im a p p i n gb ye m p a 加氯脱酸装置骨线安全性讦估 一t _ 一一一- i 。# t 一 豳 凹6 1 2 - i 电，探针】日 | 描剀像 f i g6 1 2i m a p p i n gb ye m p a 酗6 】2 - 2 【b f 探针面扫描幽像 f i g6i 2 2m a p p l n gb ye m p a 山电子探引扣描图像可以清楚的看到n i 、t i 、c 、c r 、f e 、n 、川等元素聚集与分 椎的情况。 目61 37 , j 电子探针线扫描测试结果其测试区域为两条白线之川可以得到期问的 元素含量及分布。 加氢脱醢姨置恃线安全畦评什 h6 1 3 电r 探引线h 描检测结果 f i g6 13 【i n es c a nb ye m p a 山i b 了探针h 描测试绌果可以看出 杂物。带状组织主要是山c 、n 、c r 、t 往洲试区域内存在带状组织，另外还存在若必 组成的脆r 扛柏，央杂物j - 要几亲为n 、c 、t i 。 65 材料组织检测结果分析 根据食干h 分析、扫捕电镜检测以及电f 探钊榆洲结果i - j 以看h ，管线内部奥氏体组 织基水l 州 ，似神i 线内琊削l = f l l 存以较为，”霞的带状偏析并伴订火杂物。偏析形成 的带状拍纵足沿轧制方向的，叫此偏析足存锃材轧制过程中产啦的。俯析造成币锈钏管 的内廊j 分靠小均匀( 纰纵自身存存的组岛 内廊力，并1 锊线运 r 过程中产生的机械应 力或热府) ) 。柞禽何h ，s 、c 1 等儿索的商温高jj 、流体腐蚀环境巾，沿带状组织产生 大连理工大学硕士学位论文 了由c 、n 、c r 、t i 等元素构成的脆性析出相，并因应力腐蚀而脱落，形成了腐蚀坑， 宏观上体现为众多周向的细长坑。 腐蚀是由于管材自身的质量问题与腐蚀环境所共同作用的结果。腐蚀环境中以s 和 c l 两种元素的影响最大，特别是a 一对不锈钢的腐蚀破坏最为严重。在用奥氏体不锈钢 制造的压力容器中，如果有氯化物溶液存在，会产生应力腐蚀。这是由于溶液中的氯离 子使不锈钢表面的钝化膜受到破坏，在应力的作用下，钝化膜被破坏的区域就会成为腐 蚀电池的阳极区，形成电化学腐蚀。同时，钝化保护膜被破坏后，会使各种腐蚀性物 质不断侵入。即使是微量的氯离子，也可能产生应力腐蚀，并且在2 0 0 时- “，n i 含量 为8 一1 0 时，不锈钢对氯离子腐蚀最为敏感。 该石化公司的加氢脱酸装置管线，材料为奥氏体不锈钢，运行介质中含有氯离子 a 一，运行温度为2 3 0 2 7 0 ，n i 含量1 0 5 7 ，刚好处于a 一腐蚀的最敏感区。再加上 材料本身有严重的带状偏析组织，因而管道内壁就出现了的腐蚀现象，即周向沿轧制方 向的细长腐蚀坑( 即小裂纹) 。 加氢脱酸装置管线安全性评估 7加氢管线材料高温低周疲劳总寿命试验 7 1 疲劳破坏概述 材料及构件在低于其拉伸强度极限的交变应力( 或应变) 的反复作用下，发生裂纹 萌生、扩展并最终导致断裂的失效方式称为疲劳破坏。疲劳破坏和静力破坏有着本质的 区别，主要有以下特征： ( 1 ) 在交变载荷作用下，构件的交变应力在远远低于材料拉伸强度极限的条件下有 可能发生的破坏； ( 2 ) 不论是脆性断裂还是韧性断裂，疲劳断裂在宏观上均表现出无明显塑性变形的 脆性断裂； ( 3 ) 疲劳破坏过程局限于局部区域，并不涉及整个构件的所有材料； ( 4 ) 疲劳破坏是一个累积损伤的过程，要经历一定的时间，有时还很长，实验表明， 疲劳断裂由三个过程组成，即裂纹萌生、裂纹扩展和最终快速断裂； ( 5 ) 疲劳破坏的断口不同于其它失效类型的断口，在宏观和微观上均有明显的特征。 疲劳破坏一般可分为机械疲劳、热疲劳和腐蚀疲劳三类。 机械疲劳是指材料或零部件在交变机械载荷下而引起的破坏。机械疲劳根据载荷作 用下的幅度和频率又可分为常幅疲劳、变幅疲劳和随机疲劳。常幅疲劳是指交变应力的 幅度和频率是固定不变的：变幅疲劳是指交变应力的幅度变化而频率不变；随机疲劳则 是交变应力的幅度和频率都变化。机械疲劳根据材料破坏前所经