PTA装置双相不锈钢管线失效分析_严明盛

某 化 工 厂 PTA 装 置 自 投 产 以 来，多 次 发 生 2205 双相不锈钢设备和管线泄漏事故，主要集中在 氧化 工 段。本 文 针 对 氧 化 工 段 残 渣 打 浆 罐 顶 部 2205 双相不锈钢气相管线泄漏失效进行分析。该 管线工艺介质以水蒸气为主，占 90% ，含有乙酸、溴 离子、残渣包括乙酸钴和乙酸锰、甲苯、粗对苯二甲 酸（ CTA ） 等 物 质，压 力 为 0．15 MPa，流 量 约 100 m3 / h，管线服役温度为 80 ～ 145 ℃ ，管外包裹保温 层，泄漏时仅使用 4 年。为了查明失效原因，对该泄 漏管线进行失效分析。
S 0． 004 6 ≤0． 02
Cr 23． 30 21 ～ 23
Ni 5． 42 4． 5 ～ 6． 5
Mo
N
3． 27 2． 5 ～ 3． 5
0． 157 0． 08 ～ 0． 2
收稿日期：2014-03-24。 作者简介：严明盛（1975 － ） ，男，江苏泰州人，工程师，工学学士，从事 PTA 生产设备管理工作。
Failure analysis of duplex stainless steel pipe of PTA plant
YAN Ming-sheng
（ Sinopec Yangzi Petrochemical Co． Ltd． ，Nanjing 210048，China）
Abstract： The leakages caused by corrosion happened more than once in p-xylene （ PX） oxidation section of purified terephthalic acid （ PTA） plant production． By means of Macroscopical rupture analysis，component analysis fracture surface SEM analysis and microstructure analysis EDS analysis，the failure reasons for this PX oxidation section were analyzed． The results showed that it was the acetic acid solution formed by the condensation of acetic acid steam and water vapor flowed along bottom of tube with residue induced erosion corrosion happened in pipe line and caused the leakage finally． Key words： PTA；duplex stainless steel；corrosion
（ c） 焊缝组织 （ c） Weld microstructure
（ a） 母材组织 （ a） Base metal microstructure
（b） 母材内壁腐蚀特征 （ b） Base metal inner surface corrosion characteristics
（ d） 焊缝内壁腐蚀特征 （ d） Weld inner surface corrosion characteristics
综合金相分析结果判断，快速减薄的主要原 为冲刷腐蚀所致。图 4 组织 EDS 分析 Fig． 4 EDS analysis of microstructure
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聚酯工业
第 27 卷
3 失效原因分析
4 改进措施和效果验证
一般情况下，双相钢具有较好的耐乙酸腐蚀能 力，但是在较高温度下，乙酸也会对双相钢造成腐蚀。 有文献研究显示，温度对 2205 双相不锈钢的腐蚀速 率有非常大的影响。图 5 为 2205 和 2507 双相不锈 钢在 80%乙酸和 1%硫酸混合溶液中腐蚀速率与温 度之间的关系。可以看出，温度超过 90 ℃以后，不但 2205，即便是耐腐蚀性能更好的 2507 超级双相不锈 钢的腐蚀速率也会随温度升高而急剧增大［1］。
由于服役温度在 80 ～ 145 ℃ ，因此在该温度区 间的较低温度段（ 比如 80 ～ 100 ℃ ） ，工艺介质会冷 凝，形成乙酸溶液，即使在稍超过 100 ℃ 的温度区 间，由于管内压力的存在，也会生成乙酸溶液。冷凝 下来的乙酸溶液不但会直接对管线造成腐蚀，在携 带反应物残渣流动的过程中也会对管道下部造成冲 刷。初步判断，泄漏为冲刷腐蚀所致。 2． 2 化学成分检验
图 3 管道材料金相组织形貌 Fig． 3 Microstructure morphology of pipe material
为了验证判断的可靠性，对内壁金相组织进行 了 EDS 分析（ 图 4） 。由于 Ni 元素是奥氏体形成元 素，因此，在双相钢中，Ni 含量高的相为奥氏体相， Ni 含量低的相为铁素体相。分析结果表明，确实为 铁素体（ Ni 含量低） 首先发生选择性腐蚀，留下奥氏 体（ Ni 含量高） 形成了空洞。
（3） 腐蚀与冲刷联合作用导致管线加速腐蚀减 薄并最终发生泄漏。
参考文献：
［1］ Invernizzi A J，Sivieri E，Trasatti，S P． Corrosion behaviour of Duplex stainless steels in organic acid aqueous solutions［J］． Materials Science and Engineering A ，2008，485（1-2） ：234-242．
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聚酯工业
第 27 卷
图 1 管道宏观形貌示意图 Fig． 1 Macroscopic morphology of failure pipe
2． 3 穿孔位置内壁 SEM 分析 内壁 SEM 形貌具有明显的冲刷和活化腐蚀痕
迹（图 2）。其过程可以描述为：高温液态乙酸溶液 携带反应物残渣在管道底部流动，造成局部冲刷，同 时高温乙酸溶液对双相不锈钢造成腐蚀，腐蚀和冲 刷互相促进，造成管壁迅速减薄。
第 27 卷第 4 期 2014-07
聚酯工业 Polyester Industry
Vol． 27 No． 4 July 2014
doi：10． 3969 / j． issn． 1008-8261． 2014． 04． 016
PTA 装置双相不锈钢管线失效分析
严明盛
（ 扬子石油化工有限公司，江苏 南京 210048）
（ a） 穿孔位置内壁焊缝处冲刷腐蚀特征 （ a） Erosion-corrosion characteristics of hole position inner surface weld
（c） 内壁熔合线位置冲刷腐蚀形成的凹坑 （ c） The pit formed by the inner surface fusion line
摘要：PTA 生产装置的 PX 氧化工段 2205 双相不锈钢设备和管线多次发生腐蚀泄漏。通过宏观分析，成分分析，金相分析， SEM 扫描，EDS（ 色散谱） 分析，对该工段泄漏原因进行分析，结果表明，管线中的乙酸蒸气和水蒸气冷凝，形成乙酸溶液并携 带残渣对管壁造成冲刷腐蚀，最终造成管线的穿孔失效。 关键词：PTA；双相不锈钢；腐蚀 中图分类号：TQ245． 12 文献标识码：A 文章编号：1008-8261（2014）04-0051-04
position erosion-corrosion
（b） 穿孔位置内壁母材处冲刷腐蚀特征 （ b） Erosion-corrosion characteristics of hole position
inner surface base metal
（d） 内壁焊缝位置冲刷腐蚀特征 （ d） Erosion-corrosion characteristics of inner surface weld position
and SAF2507 duplex stainless steel in 80% acetic acid and 1% sulfuric acid mixed solution
（1） 由于温度波动，蒸气中的乙酸和水蒸气冷 凝形成乙酸溶液并汇集在管线底部，对管线造成局 部腐蚀；
（2） 汇集在管线底部的液态乙酸溶液携带反应 物残渣在管道底部流动，造成局部冲刷；
的上封头设有一个 10″的气相排放口，起到系统气 相平衡作用，考虑到该管线工艺介质含有乙酸和溴 离子，且操作温度较高，在设计选材时选用了 2205 双相不锈钢，此次发生失效的即为该 2205 双相不锈 钢管线。
2 理化检验及结果
2． 1 宏观分析 泄漏位置有数处，均位于水平直管段的下部，泄
漏点有位于直管和弯头交界焊缝上的，也有的位于 直管段，如图 1 所示。泄漏的管段外表面光滑，呈不 锈钢本色。破开后发现内壁粗糙不平，呈黄褐色，管 下部内壁有一条明显的减薄凹槽，所有泄漏点均位 于该凹槽中。
图 2 穿孔位置内壁电镜（ SEM） 形貌 Fig． 2 SEM morphology of hole position inner surface
2． 4 显微组织 发生穿孔的汽相管线金相组织如图 3。母材组
第4 期
严明盛：PTA 装置双相不锈钢管线失效分析
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织均为铁素体 + 奥氏体组织，大约各占 50% ，组织 正常。焊缝亦为铁素体 + 奥氏体，组织呈柱状晶型 排列。图 3（ b） ，（ d） 还显示，焊缝及母材在内壁均 发生选择性腐蚀，一种相首先被腐蚀，形成空洞，在 冲刷作用下另一相晶粒脱落，如此周而复始，导致壁 厚迅速减薄。
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国内在建的 PX 项目
近年来，国内环保意识增强，多地出现抵制 PX 的情况，导致 PX 扩能受阻，供应缺口逐年加大。2013 年 5 月，新一届政府 首批取消和下放的 117 项行政审批项目正式对外公布，其中国家发改委对企业投资 PX 改扩建项目的核准被取消，此举有利 于激发市场活力。目前开工在建的 PX 项目主要有宁波中金 70 万 t 和上海石化 23． 5 万 t 改扩建到 33 万 t，预计 2015 年投产。 中国石化海南炼化二期项目和北京燕山分公司曹妃甸炼油项目正在施工准备中，此外辽宁华锦、广西钦州佳龙、中化泉州、中 海油惠州、恒力大连等均有 PX 新建或扩建计划，以上项目大多进展缓慢，将主要在 2018 年以后投产。