濕法氨脫硫指通過液氨吸收脫除鍋爐煙氣中的硫化物如SO2使排放煙氣滿足環(huán)保要求，具有高效、低能耗等特點。同時脫硫產(chǎn)物可作為下游工廠的原料進行再利用，制成含氮化學(xué)品例如氮肥、硫銨等。脫硫塔是濕法脫硫的核心設(shè)備，塔附屬循環(huán)管道正常服役對生產(chǎn)至關(guān)重要。

上海化工區(qū)某工廠采用濕法氨脫硫?qū)恿χ行?臺鍋爐的排放煙氣進行環(huán)保處理，同時將SO2等硫氧化物吸收、再氧化、濃縮、結(jié)晶制成硫酸銨，并運送到硫酸回收單元精制成濃硫酸產(chǎn)品，脫硫后鍋爐排出煙氣通過細(xì)微顆粒物控制裝置再次除塵凈化后，經(jīng)煙囪匯入煙道排放到大氣中。2020年10月8日，發(fā)現(xiàn)脫硫塔附屬循環(huán)管道出現(xiàn)泄漏，泄漏處外壁堆積了較多鹽垢。2020年11月11日、12月23日又發(fā)現(xiàn)多處泄漏，泄漏情況與首次泄漏完全相同。經(jīng)了解，該設(shè)備于2018年8月投入使用，設(shè)計壽命為30 a。管材為316L不銹鋼，工作溫度為55~70 ℃，壓力為0.2 MPa。管內(nèi)介質(zhì)是硫酸銨溶液。為了明確管道發(fā)生泄漏的原因，對泄漏管道進行了宏觀形貌觀察、滲透檢測、化學(xué)成分分析、金相分析等理化檢驗，并結(jié)合工藝情況對失效原因進行了分析。

1. 理化檢驗與結(jié)果

1.1 宏觀檢查

對失效管道進行宏觀檢查。結(jié)果發(fā)現(xiàn)在管道泄漏點附近出現(xiàn)物料結(jié)晶，結(jié)晶物白里透綠，向下呈流掛狀，如圖1所示?？紤]到管內(nèi)介質(zhì)，推測白色結(jié)晶物可能是（NH4）2SO4晶體，綠色結(jié)晶物可能是不銹鋼管材被硫酸銨溶液腐蝕后產(chǎn)生的FeSO4。

圖 1 失效管道泄漏點附近的結(jié)晶物

Figure 1. Crystal near leak point in failed pipeline

去除結(jié)晶物后，管道上無目視可見的漏點，但在泄漏處有無色液體介質(zhì)跑冒滴漏，如圖2所示。采用手持10倍放大鏡觀察，發(fā)現(xiàn)該處有兩個微小的疑似裂紋狀的漏點。管道測厚檢查發(fā)現(xiàn)，材料未發(fā)生均勻減薄，因此可以確認(rèn)管道只發(fā)生了局部點狀泄漏。

圖 2 失效管道泄漏情況

Figure 2. Leakage situation of failed pipeline

1.2 管內(nèi)介質(zhì)成分分析

根據(jù)管道失效點附近采樣點管內(nèi)介質(zhì)連續(xù)22個月的數(shù)據(jù)，管內(nèi)介質(zhì)的主要成分是硫酸銨、亞硫酸銨和硫酸氫銨，pH為2.8~3.9。因工藝需要，介質(zhì)經(jīng)過充分氧化，氧化率基本在99.5%以上。與項目設(shè)計的工藝操作環(huán)境相比，實際運行工藝并未發(fā)生偏離，也未發(fā)現(xiàn)不銹鋼材料敏感元素。

1.3 管材化學(xué)成分分析

設(shè)備主要材料為316L不銹鋼，采用光譜儀對泄漏點附近管材的化學(xué)成分進行分析，結(jié)果見表1，同時表1中還列出了GB/T 14976—2012《流體輸送用不銹鋼無縫鋼管》中關(guān)于316L不銹鋼化學(xué)成分的要求。結(jié)果表明，失效管道的化學(xué)成分符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

1.4 滲透檢測

非計劃停車后，拆卸失效管件，對其內(nèi)壁進行滲透檢測。在內(nèi)壁環(huán)焊縫附近發(fā)現(xiàn)4處缺陷，缺陷多位于熱影響區(qū)及附近的母材，具體位置見圖3。缺陷形貌有密麻點狀（見圖4），也有條狀（見圖5）。麻點狀缺陷遍布焊縫、熱影響區(qū)、母材，尺寸同細(xì)砂粒大小，條狀缺陷位于熔合線上，走向與環(huán)向熔合線重合，長度為2~3 mm，寬度約0.3 mm，顏色黯淡，滲透檢測前不易發(fā)現(xiàn)。在現(xiàn)場隨即對麻點狀缺陷進行機械打磨，磨掉2 mm厚度后，在材料內(nèi)部發(fā)現(xiàn)較大皮下囊形空腔（見圖6），這是典型的不銹鋼點蝕形貌。遂決定分別對點蝕及條狀缺陷處管材進行金相檢查。

圖 3 滲透檢測結(jié)果

Figure 3. Penetration test result

圖 4 麻點狀缺陷

Figure 4. Pitted defect

圖 5 條狀缺陷

Figure 5. Strip defect

圖 6 皮下囊形點蝕坑形貌

Figure 6. Bag-shaped pitting morphology under surface

1.5 金相檢查

1.5.1 顯微組織

對2號缺陷附近管材進行現(xiàn)場金相檢查，其顯微組織如圖7所示。結(jié)果表明，管道母材和焊縫處形貌組織正常，母材組織為奧氏體，符合標(biāo)準(zhǔn)對316L不銹鋼的組織要求。

圖 7 泄漏點附近管道的顯微組織

Figure 7. Microstructure of pipeline near leakage point: (a) substrate; (b) weld line

1.5.2 點蝕坑形貌

對2號缺陷處的點蝕坑進行金相檢查，結(jié)果如圖8所示。在靠近內(nèi)壁的材料內(nèi)部有許多黃豆?fàn)畹母g坑，數(shù)量遠多于表面可發(fā)現(xiàn)的腐蝕點數(shù)量，臨近的腐蝕點有細(xì)微通道相連，應(yīng)是同一腐蝕介質(zhì)在材料內(nèi)部長期作用的結(jié)果，也是不銹鋼點蝕成核后的形貌。在局部放大圖上，可清晰地看到點蝕坑連接處細(xì)微的裂紋以及最深處點蝕坑下部的裂紋擴展形貌。細(xì)微裂紋是腐蝕介質(zhì)將材料晶體完全腐蝕后形成的，整個過程也顯示了不銹鋼點蝕發(fā)展的歷程。而腐蝕坑底部“尾巴”則是通道連接形成的早期形貌。另外，腐蝕是由內(nèi)壁朝外壁方向縱向發(fā)展的，發(fā)展頭部較尖，尾部較寬。根據(jù)點蝕理論，腐蝕坑底部積累的腐蝕液會在腐蝕尖端發(fā)生點蝕酸性自催化效應(yīng)，使得點蝕發(fā)展的深度等于或遠大于其孔徑。

圖 8 失效管道上點蝕坑形貌及其局部放大圖

Figure 8. Morphology of pit in failed pipeline (a) and partial enlarged details of pit-joint (b) and pit bottom (c)

1.5.3 裂紋形貌

從裂紋處材料取樣，采用金相顯微鏡觀察裂紋形貌。從圖9可見，裂紋從內(nèi)壁萌生并向外壁擴展，上寬下窄，裂紋起裂處有明顯腐蝕跡象。從其局部放大圖上可以看到，裂紋以穿晶形式向前發(fā)展，在裂紋中部，產(chǎn)生了多支分叉，形成河流狀的分布，裂紋下部為裂紋尖端，其導(dǎo)向左右整條裂紋的發(fā)展方向。裂紋中止于焊縫組織，這是由于現(xiàn)場檢測定位裂紋位置后，曾從外壁打磨補焊，以終止裂紋貫穿形成泄漏。

圖 9 失效管道上裂紋形貌及其局部放大圖

Figure 9. Morphology of cracks in failed pipeline (a) and partial enlarged details of crack top (b), middle (c) and bottom (d)

2. 失效原因分析

從金相檢查結(jié)果來看，該管道存在點蝕及腐蝕開裂兩種情形。點蝕形貌為皮下囊形空腔，是不銹鋼典型的腐蝕形貌；腐蝕開裂裂紋則為穿晶裂紋，呈河流狀分布，是不銹鋼應(yīng)力腐蝕典型形貌。引起316L不銹鋼應(yīng)力腐蝕開裂的敏感環(huán)境不下20種，但在石油化工廠內(nèi)引起奧氏體不銹鋼應(yīng)力腐蝕開裂的環(huán)境有氯溶液環(huán)境、高溫高含量堿溶液環(huán)境、連多硫酸溶液環(huán)境及高溫高壓水環(huán)境。該設(shè)備長期運送硫銨水溶液，因銨根離子水解形成氨水，會使多余H+游離在水溶液中，所以硫銨水溶液長期呈酸性，物料pH監(jiān)測結(jié)果在2.8~3.9，因此可完全排除堿溶液環(huán)境引發(fā)開裂的可能性。該脫硫裝置所有設(shè)備及管道材料為316L不銹鋼，且管道失效出現(xiàn)在管道運行期間，因此排除連多硫酸溶液引起開裂的可能性。設(shè)備運行溫度為55~70 ℃、壓力為0.2 MPa，因此只剩一種可能的應(yīng)力腐蝕開裂，即氯溶液引發(fā)的不銹鋼應(yīng)力腐蝕開裂。氯離子易吸附到金屬表面，特別是金屬表面缺陷、臺階及夾雜處[1]，氯離子會破壞不銹鋼表面的鈍化膜，使其失去保護作用，進而引發(fā)不銹鋼材料點蝕穿孔。當(dāng)材料中存在拉應(yīng)力時，則會出現(xiàn)應(yīng)力腐蝕開裂失效[2]，不銹鋼的應(yīng)力腐蝕與氯離子含量、溫度、pH以及溶液中其他離子有關(guān)[3]。根據(jù)API RP 581-2020 Risk-Based Inspection Methodology給出的氯離子應(yīng)力腐蝕開裂可能性圖表，在溫度36.39 ℃以上、pH為3條件下，316L不銹鋼的應(yīng)力腐蝕開裂失效風(fēng)險為高。所以氯離子引起的應(yīng)力腐蝕開裂應(yīng)該是脫硫塔附屬管道泄漏最有可能的原因，遂安排對物流介質(zhì)的化學(xué)成分分析，驗證其中是否有氯離子混入。

從一級循環(huán)泵A出口和兩級循環(huán)泵A出口取樣點分別取樣，進行氯離子含量檢測，檢測結(jié)果如