蒸餾裝置減壓渣油換熱器入口閥門泄漏原因分析

潘若飛，呼立紅，王新凱

（1.中國石油撫順石化公司，遼寧 撫順 113008；2.沈陽中科韋爾腐蝕控制技術(shù)有限公司，遼寧 沈陽 110180）

蒸餾裝置減壓渣油換熱器入口閥門泄漏原因分析

潘若飛1，呼立紅2，王新凱2

（1.中國石油撫順石化公司，遼寧 撫順 113008；2.沈陽中科韋爾腐蝕控制技術(shù)有限公司，遼寧 沈陽 110180）

某石化蒸餾裝置的換熱器入口閥門發(fā)生泄漏，通過宏觀觀察、金相檢測(cè)、硬度檢測(cè)，以及產(chǎn)物分析等手段，分別對(duì)閥門內(nèi)墊片、連接螺栓以及卡具等進(jìn)行了一系列理化檢測(cè)。檢測(cè)分析結(jié)果表明，由于墊片的硬度高，致使其回彈力不夠，同時(shí)在安裝過程中，受力不均導(dǎo)致墊片與密封面之間存在縫隙，介質(zhì)滲入，致使墊片和密封面腐蝕受損，造成首次泄漏。泄漏后的介質(zhì)使得連接螺栓發(fā)生腐蝕，同時(shí)由于法蘭與螺栓的材質(zhì)差異，使得螺栓發(fā)生嚴(yán)重腐蝕；卡具與法蘭之間的焊接材料為不銹鋼材料，由于與泄漏的介質(zhì)接觸，同時(shí)焊接后未進(jìn)行熱處理，導(dǎo)致了卡具與法蘭連接面焊縫的開裂。

蒸餾裝置；閥門泄漏；墊片變形；應(yīng)力腐蝕開裂

1 背景

某石化公司蒸餾裝置減壓渣油換熱器入口閥門早期發(fā)現(xiàn)閥蓋滲油，閥蓋螺栓緊固后仍滲油，因此對(duì)該閥門采取打卡具注膠處理，注膠后依然滲油，因此將卡具與閥蓋焊接，焊接后注膠，經(jīng)過一年多檢查未發(fā)現(xiàn)其泄漏。為了分析閥門泄漏原因，特進(jìn)行了一系列的檢測(cè)分析。

2 檢測(cè)分析

2.1 宏觀觀察

漏油部位位于下閥蓋與卡具焊接的焊道部位，緊固螺栓已經(jīng)與閥蓋表面形成了約2～4mm的間隙，并且螺栓與閥蓋沒有保持絕對(duì)垂直的位置關(guān)系，說明螺栓已經(jīng)發(fā)生變形。上下閥蓋的密封面上的石墨密封圈已經(jīng)破損，僅可見一些殘留碎片，同時(shí)下閥蓋的金屬墊片發(fā)生變形，向閥蓋中心方向彎曲。密封面與法蘭“凹凸面”，以及螺栓孔內(nèi)均可見明顯的密封膠殘留。墊片變形部位附近裸露的密封面和墊片表面，均有明顯的黃褐色腐蝕產(chǎn)物附著。

2.2 墊片理化性能檢測(cè)

分別取變形部分墊片與未變形部分墊片進(jìn)行金相組織觀察，可見墊片的組織主要為奧氏體+鐵素體相，變形墊片與未變形部分從組織結(jié)構(gòu)上未見差別。但是，從變形墊片的低倍形貌可以看到，其波齒部分已經(jīng)破損。墊片的本體厚度約2.8mm（圖1）。

圖1 墊圈金相及硬度檢測(cè)點(diǎn)

對(duì)墊圈的硬度進(jìn)行檢測(cè)，其平均硬度為HV0.1/15s270.1，相當(dāng)于HB257。

將金屬齒形墊片的材質(zhì)進(jìn)行分析，其材質(zhì)比較接近12Cr14Mn10Ni1，但Ni含量不足。

墊片的材質(zhì)屬于不銹鋼材質(zhì)，但是其Ni含量不足。墊片的硬度為HB257，齒形墊片如果為碳鋼，要求HB90-120，不銹鋼墊片，如304、316等HB硬度在130-180之間,可見此墊片的硬度偏高，硬度偏高為導(dǎo)致墊片的回彈力不夠，降低其密封性能。

2.3 閥蓋與卡具理化性能檢測(cè)

圖2 焊縫及熱影響區(qū)金相及硬度檢測(cè)點(diǎn)

從以上組織觀察可以看出，焊縫殘留組織為奧氏體不銹鋼鑄態(tài)組織。硬度檢測(cè)結(jié)果顯示，焊縫硬度HV0.1/15s272.9；熱影響區(qū)HV0.1/15s203.3，閥蓋母材硬度為HV1.0/15s127.8，可見焊縫硬度最高。

從卡具與閥蓋的焊道金相檢測(cè)可以看出，其焊接的焊條選用的是不銹鋼，同時(shí)其焊縫區(qū)域硬度較高，說明焊接后未進(jìn)行有效的熱處理。由于閥門內(nèi)介質(zhì)是含有高溫硫和高溫環(huán)烷酸的的減壓渣油，當(dāng)介質(zhì)滲入到焊道區(qū)域時(shí)，不銹鋼組織加上焊接殘余應(yīng)力的影響，很容易發(fā)生硫化物的應(yīng)力腐蝕開裂現(xiàn)象，因此焊道的開裂，主要是由于焊縫金屬為不銹鋼，同時(shí)未進(jìn)行消除應(yīng)力處理，因此焊縫的殘余應(yīng)力作用，導(dǎo)致最終焊道的開裂（圖2）。

2.4 螺栓的理化性能檢測(cè)（圖3）

對(duì)螺柱表面的腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行分析，可見其表面主要是Fe2O3。對(duì)螺栓的橫截面芯部硬度進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試點(diǎn)分布如圖3所示，測(cè)試的維氏硬度值為HV314.0（1000g、15s），相當(dāng)于布氏硬度294，根據(jù)GB/T3077-1999合金結(jié)構(gòu)鋼中關(guān)于30CrMo的硬度值規(guī)定HB應(yīng)小于等于229，可見螺栓的硬度較標(biāo)準(zhǔn)值偏高。

由于閥門泄漏，因此會(huì)有減壓渣油滲入到螺栓的空隙中，當(dāng)閥門進(jìn)行打卡具處理和注膠過程中，密封膠將螺栓空隙中的渣油擠壓到密封膠未滲入或滲入少的部位。注膠后高溫法蘭進(jìn)行了保溫處理，減壓渣油中含有環(huán)烷酸和硫，高溫環(huán)烷酸腐蝕發(fā)生的溫度區(qū)間230～400℃，270～280℃和350 ～400℃一般認(rèn)為是環(huán)烷酸腐蝕的兩個(gè)高峰溫度區(qū)間。由于法蘭已經(jīng)達(dá)到了環(huán)烷酸腐蝕所需的溫度區(qū)間，因此螺栓會(huì)發(fā)生了高溫硫和高溫環(huán)烷酸腐蝕。

其次，由于有腐蝕介質(zhì)存在于螺栓縫隙中，螺栓的材質(zhì)是30CrMo，而閥蓋材質(zhì)為A217-C5（Cr5Mo），兩種材料的耐蝕性差異很大，在腐蝕性介質(zhì)中，二者會(huì)發(fā)生電偶腐蝕，使得耐蝕性相對(duì)較差的螺栓材料優(yōu)先發(fā)生腐蝕，因此會(huì)發(fā)生螺栓腐蝕嚴(yán)重的現(xiàn)象。從螺栓的腐蝕宏觀形貌可以看出，螺栓的腐蝕主要為均勻腐蝕，從XRD分析可見，腐蝕產(chǎn)物主要為氧化鐵，證實(shí)了電偶腐蝕發(fā)生的可能性，

圖3 斷裂螺栓表面的腐蝕產(chǎn)物XRD分析

3 結(jié)果與討論

綜合以上分析，可以概括出閥門泄漏的整體過程如下：由于墊片的硬度高，致使其回彈力不夠，同時(shí)在安裝過程中，受力不均導(dǎo)致墊片與密封面之間存在縫隙，介質(zhì)滲入，致使墊片和密封面腐蝕受損，致使首次泄漏。注膠后，使得介質(zhì)被部分截留在螺栓中，由于法蘭保溫，使得螺栓發(fā)生高溫硫腐蝕和環(huán)烷酸腐蝕，同時(shí)由于螺栓與閥蓋材質(zhì)的耐蝕性差異，導(dǎo)致其腐蝕電偶腐蝕，使得螺栓的腐蝕破壞更加嚴(yán)重，加之螺栓的原始硬度偏高，因此稍加外力，螺栓便會(huì)發(fā)生斷裂。

由于介質(zhì)滲入到閥蓋與卡具的焊縫位置，焊縫金屬是奧氏體不銹鋼，同時(shí)焊后未進(jìn)行有效的熱處理，致使焊縫硬度偏高。螺栓腐蝕后，或者斷裂后，使得螺栓的受力不均勻，未斷裂的螺栓其拉應(yīng)力更大，會(huì)發(fā)生局部的塑形變形被拉長，當(dāng)焊縫發(fā)生泄漏后，導(dǎo)致閥內(nèi)壓力較之前降低，螺栓受到的拉應(yīng)力變小，因此會(huì)觀察到一些螺栓已經(jīng)與閥蓋表面出現(xiàn)較大的空隙。另一方面，螺栓失去其緊固作用后，使得閥蓋與卡具部位所承受的拉應(yīng)力變大，加之硫介質(zhì)的不斷作用，最終導(dǎo)致焊縫發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂現(xiàn)象。

4 結(jié)論與建議

通過以上檢測(cè)分析，得出結(jié)論如下：

螺栓腐蝕失效的原因是注膠后介質(zhì)截留在螺栓內(nèi)發(fā)生高溫硫和高溫環(huán)烷酸腐蝕，同時(shí)由于閥蓋與螺栓材質(zhì)的耐蝕性差異，發(fā)生電偶腐蝕，加劇螺栓腐蝕。螺栓硬度高，螺柱腐蝕后，剩余直徑很小，受到緊固等外力作用，最終發(fā)生斷裂；

閥蓋與卡具焊道開裂的主要原因是焊縫金屬為奧氏體不銹鋼，焊后未進(jìn)行有效熱處理，焊縫硬度高，接觸到含硫介質(zhì)后，發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂；

閥門首次泄漏的原因是由于墊片硬度高，回彈力不佳，當(dāng)安裝受力不均后導(dǎo)致密封面與墊片之間有縫隙，介質(zhì)滲入，導(dǎo)致密封面和墊片發(fā)生腐蝕破壞，最終導(dǎo)致泄漏。

根據(jù)失效原因，提出建議如下：

升級(jí)墊片材質(zhì)為304，316等奧氏體不銹鋼，并保證墊片質(zhì)量。

雖然在此操作條件下，Cr5Mo閥門符合要求，但是一旦發(fā)生介質(zhì)泄漏，密封面很容易被腐蝕，因此可考慮升級(jí)為奧氏體不銹鋼閥門；

螺栓熱處理，嚴(yán)格執(zhí)行熱處理規(guī)范，避免硬度超標(biāo)。

進(jìn)行打卡處理時(shí)，焊后應(yīng)該進(jìn)行熱處理，防止應(yīng)力腐蝕開裂的發(fā)生。

表4

3 結(jié)束語

本實(shí)驗(yàn)通過鐵基體匹配、譜線選擇等方法在一定程度上減少了測(cè)定過程中可能存在的干擾。通過以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用ICP-OES法測(cè)定1Cr18Ni9Ti的鈦元素方法簡(jiǎn)便、快速，其分析結(jié)果的準(zhǔn)確度、精密度滿足分析要求，達(dá)到了我們的預(yù)期目的，可在一些 領(lǐng)域進(jìn)行推廣。

[1]美國熱電公司，元素分析2007年用戶會(huì)論文集.

[2]GB/T20125.低合金鋼多元素含量的測(cè)定電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法.

TE624.1

A

1671-0711（2016）10（下）-0127-02