冷低分安全閥接管斷裂失效分析

楊朝松

(中國(guó)石油化工股份有限公司上海高橋石化有限公司，上海 200137)

冷低分安全閥接管斷裂失效分析

楊朝松

(中國(guó)石油化工股份有限公司上海高橋石化有限公司，上海 200137)

介紹了加氫裂化裝置冷低分罐安全閥前接管斷裂失效情況，從外觀形貌分析發(fā)現(xiàn)接管斷口沒(méi)有塑性變形和頸縮，屬于脆性開(kāi)裂。能譜分析顯示接管斷口有大量的硫，證明焊縫斷裂失效是由于H2S引起的應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂。化學(xué)成分分析結(jié)果認(rèn)定現(xiàn)場(chǎng)所用材料與設(shè)計(jì)選用材料一致，另外金相組織分析表明焊縫過(guò)渡層中高硬度馬氏體組織使焊縫脆性增加。根據(jù)上述原因分析從設(shè)計(jì)規(guī)范、焊接施工和工藝操作等方面提出了建議。

冷低分罐 接管斷裂 能譜測(cè)試 金相組織

1 情況簡(jiǎn)介

某公司1.4 Mt/a加氫裂化裝置于2004年10月投產(chǎn)，2007年9月經(jīng)過(guò)原油適應(yīng)性改造，裝置進(jìn)料硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)從1.2%提高到1.96%，部分設(shè)備進(jìn)行了材質(zhì)升級(jí)。裝置冷低分(D-3110)，設(shè)置了3臺(tái)安全閥，2開(kāi)1備。在裝置新建時(shí)，設(shè)計(jì)配置：安全閥帶配對(duì)法蘭，安全閥閥體為不銹鋼，配對(duì)法蘭為不銹鋼法蘭，安全閥前接管為304不銹鋼法蘭+碳鋼管焊接而成。

2015年2月，冷低分(D-3110)罐頂?shù)谋眰?cè)安全閥(PSV-3103/A)閥前接管與安全閥連接的法蘭焊縫處發(fā)生貫穿性開(kāi)裂，裂紋長(zhǎng)度達(dá)整圈焊縫長(zhǎng)度的60%，開(kāi)裂發(fā)生在碳鋼與不銹鋼焊縫的熱影響區(qū)。

安全閥接管主要操作參數(shù)如下：

設(shè)計(jì)/操作溫度:70 ℃/50 ℃；

設(shè)計(jì)/操作壓力:2.75 MPa/2.0 MPa；

操作介質(zhì):油氣、H2S和H2，其中H2和H2S質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為60%和1%。

2 接管斷裂分析

2.1 斷口宏觀形貌分析

斷裂接管斷口腐蝕形貌見(jiàn)圖1。可以看出，斷口處沒(méi)有塑性變形和頸縮，屬于脆性開(kāi)裂。裂紋起源于內(nèi)壁，從內(nèi)壁向外壁有放射紋，外壁大約有一半的厚度有瞬時(shí)撕裂的痕跡，說(shuō)明裂紋從內(nèi)壁起裂大約一半的厚度時(shí)，剩余截面不足以承擔(dān)內(nèi)壓而瞬時(shí)過(guò)載斷裂。

裂紋是從內(nèi)壁同時(shí)起裂的，裂紋基本上是沿著熱影響區(qū)擴(kuò)展的， 少部分區(qū)域在焊縫中心線擴(kuò)展。斷口上銹蝕嚴(yán)重，清理后局部區(qū)域露出基體，可以看到局部的二次裂紋。

圖1 斷裂接管斷口宏觀形貌

2.2 斷口微觀形貌分析

為了進(jìn)一步觀察裂紋斷口的特征，將裂紋面扳開(kāi)后，在掃描電鏡中觀察其斷口微觀形貌，用線切割的方法截取斷裂處的2小塊試樣，用丙酮清洗后進(jìn)行了掃描電鏡分析，其微觀形貌見(jiàn)圖2。

圖2 斷裂接管斷口微觀形貌

從圖2可以看出：斷口銹蝕嚴(yán)重，但局部顯示沿晶開(kāi)裂斷口形貌。整個(gè)斷口上，靠近內(nèi)壁為裂源區(qū)，該斷口呈“冰糖狀”沿晶開(kāi)裂特征，中部亦為沿晶開(kāi)裂斷口，靠近外壁邊緣處呈“韌窩狀”斷口，說(shuō)明此處是最后撕裂部位。整個(gè)斷口顯示出與金相分析結(jié)果一致，裂紋擴(kuò)展主要是以沿晶開(kāi)裂為主。

2.3 接管斷口能譜分析

為確定腐蝕介質(zhì)的主要參與元素，對(duì)斷口上的腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行了能譜分析，即對(duì)靠近內(nèi)壁處的三個(gè)點(diǎn)進(jìn)行了能譜測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 斷口表面腐蝕產(chǎn)物能譜分析 w,%

由化學(xué)成分分析可以明顯得到，斷口上的硫是主要腐蝕成分，而且接管開(kāi)裂后，接管內(nèi)的含硫介質(zhì)侵入到斷口。根據(jù)斷口的裂紋擴(kuò)展途徑主要是以沿晶為主這一特征來(lái)判斷，斷口腐蝕產(chǎn)物大量的硫是產(chǎn)生晶間型應(yīng)力腐蝕的主要介質(zhì)因素，加速了晶間型應(yīng)力腐蝕的速度，證明焊縫斷裂失效是由于H2S引起的應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂[1]。

2.4 材料化學(xué)成分分析

接管處材料設(shè)計(jì)為304不銹鋼法蘭+碳鋼管，對(duì)材料進(jìn)行取樣做化學(xué)成分分析，分別對(duì)焊材區(qū)兩側(cè)的母材及焊縫進(jìn)行了光譜分析，分析結(jié)果見(jiàn)表2、表3和表4。

表2 碳鋼管線材料的化學(xué)成分分析 w,%

表3 不銹鋼法蘭材料的化學(xué)成分分析 w，%

表4 焊縫材料的化學(xué)成分分析 w，%

由表2、表3和表4可以看出現(xiàn)場(chǎng)所用材料與設(shè)計(jì)選用材料一致，現(xiàn)場(chǎng)所用材料為304不銹鋼法蘭+碳鋼管焊接短管。

2.5 斷裂焊縫金相分析

為了掌握裂紋的擴(kuò)展途徑以及材料的金相組織狀況，分別對(duì)焊材區(qū)、熱影響區(qū)和母材區(qū)進(jìn)行拍照，金相照片見(jiàn)圖3至圖8。

圖3 焊縫金相

圖4 焊縫裂紋

圖5 碳鋼側(cè)熱影響區(qū)

可以看出，靠近碳鋼一側(cè)熔合線的焊縫有細(xì)微的裂紋。焊縫區(qū)組織有明顯變化，碳鋼側(cè)碳從母材通過(guò)熔合區(qū)向焊縫擴(kuò)散，在靠近熔合區(qū)的母材上形成一個(gè)軟化的脫碳層，熔合線的焊縫金屬中出現(xiàn)了馬氏體組織。

圖6 不銹鋼側(cè)熱影響區(qū)

圖7 不銹鋼母材

圖8 碳鋼母材

裂紋的特征形貌說(shuō)明，裂紋的擴(kuò)展深度與寬度相比相差較大，裂紋與所受的應(yīng)力大小和方向有關(guān)。裂紋擴(kuò)展從宏觀上可以觀察到裂紋是沿最大主應(yīng)力方向擴(kuò)展的。此次接管焊縫上出現(xiàn)的裂紋系應(yīng)力腐蝕裂紋，與介質(zhì)情況和接管焊縫表面的狀況及應(yīng)力有關(guān)。

3 結(jié) 論

(1)碳鋼與不銹鋼焊接時(shí)在靠近碳鋼一側(cè)熔合線的焊縫金屬中，會(huì)形成一層與內(nèi)部焊縫金屬成分不同的過(guò)渡層。碳鋼的合金成分含量低， 對(duì)焊縫金屬的成分有沖淡作用，焊縫的奧氏體形成元素不足，熔化的母材和填充金屬不能充分地混合,使焊縫中出現(xiàn)馬氏體組織，過(guò)渡層中的高硬度馬氏體組織會(huì)使脆性增加，塑性顯著降低，形成低塑性帶，從而降低了焊接結(jié)構(gòu)的可靠性，焊接接頭質(zhì)量惡化，甚至導(dǎo)致開(kāi)裂[2]。碳鋼與不銹鋼線膨脹系數(shù)差異較大，它們所組成的焊接接頭會(huì)產(chǎn)生很大的殘余應(yīng)力，可促使熔合區(qū)內(nèi)缺陷的發(fā)展和聚集。

(2)對(duì)照API RP571《煉油設(shè)備的損傷機(jī)理》，結(jié)合裝置該部位的介質(zhì)、操作溫度、操作壓力和開(kāi)裂焊縫外表情況等，判斷焊縫開(kāi)裂的失效機(jī)理為濕硫化氫環(huán)境下的應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂，這種開(kāi)裂是由于硫化物導(dǎo)致的應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂(SSCC)和應(yīng)力誘導(dǎo)的氫致開(kāi)裂(SOHIC)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，國(guó)內(nèi)煉油裝置的濕硫化氫應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂情況比較嚴(yán)重。

(3)引起濕硫化氫應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的原因有：硫化物導(dǎo)致的應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂(SSCC)易發(fā)生在高強(qiáng)度鋼的焊接熔合區(qū)和低合金鋼的熱影響區(qū)，SSCC的敏感性與滲透到鋼材內(nèi)的氫分壓有關(guān)，與pH值和H2S含量的環(huán)境因素有關(guān)。應(yīng)力誘導(dǎo)的氫致開(kāi)裂(SOHIC)易發(fā)生在焊縫的熱影響區(qū)，特別是熔合線處。研究顯示，當(dāng)H2S質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于10 μg/g時(shí)，對(duì)存在強(qiáng)應(yīng)力的鋼極為敏感。

4 解決措施

(1)焊接施工。用熔合比小的焊接方法，降低母材的稀釋作用，提高焊縫可靠性，減少焊縫的殘余應(yīng)力，避免原始裂紋。

(2)工藝操作。減少操作波動(dòng)導(dǎo)致安全閥起跳時(shí)的外界應(yīng)力，降低操作介質(zhì)中H2S含量，緩解H2S應(yīng)力腐蝕導(dǎo)致裂紋的發(fā)展。

(3)設(shè)計(jì)規(guī)范。設(shè)計(jì)流程上根據(jù)介質(zhì)變化，選材時(shí)避免異種鋼焊接，盡量采用異種鋼法蘭連接過(guò)度，根除本質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)。

[1] 劉世宏.X射線光電子能譜分析[M].北京:科學(xué)出版社，1988：198.

[2] 設(shè)備防腐專(zhuān)業(yè)組.石油化工裝置設(shè)備腐蝕與防護(hù)手冊(cè)[M].北京:中國(guó)石化出版社，2001：236.

(編輯 張向陽(yáng))

Rupture Failure Analysis of Safety Valve Connecting Pipe in Cold Low-pressure Separator

YangChaosong

(SINOPECShanghaiGaoqiaoCo.,Ltd.,Shanghai200137，China)

Rupture failure was introduced of the front connecting pipe of safety valve in cold low-pressure separator of hydrogenation cracking unit, and the rupture is of brittle fracture for that there was no plastic deformation and neck shrinkage in the fracture through the appearance analysis. Spectrum analysis shows that there are a large number of S ions in the fracture surface, proving that fracture failure of the weld is due to the stress corrosion cracking caused by H2S. The results of chemical composition analysis found that the materials used in the field are consistent with the materials selected in the design, besides, analysis of metallographic structure discovered that high hardness martensite in the transition layer increases the brittleness of the weld. Suggestions were proposed in terms of design specification, welding construction and process operation, according to the above analysis.

cold low-pressure separator, rupture of connecting pipe, spectrum test, metallographic structure

2016-08-29 ；修改稿收到日期：2017-02-06。

楊朝松(1978-)，高級(jí)工程師，碩士,現(xiàn)從事設(shè)備管理工作。E-mail:yangchaosong@sinogpc.com