渣油加氫裝置間斷注水線截止閥閥體裂紋成因分析及修復(fù)

(中化泉州石化有限公司，福建 泉州 362103)

某公司渣油加氫裝置的間斷注水線截止閥于2014年6月投入使用，同年11月在閥門的焊縫處曾發(fā)現(xiàn)有砂眼，跟蹤觀察后繼續(xù)使用至2015年6月檢修。檢修期間對(duì)閥體進(jìn)行了打磨和滲透(PT)檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)閥體及其焊縫部位存在多處裂紋和密集砂眼，對(duì)其進(jìn)行了檢驗(yàn)分析，并對(duì)同一批閥門進(jìn)行全部檢驗(yàn)、修復(fù)和更換。

1 裝置概況和閥門技術(shù)參數(shù)

1.1 裝置概況

該渣油加氫裝置設(shè)計(jì)規(guī)模為3.30 Mt/a，采用CLG公司的固定床渣油加氫脫硫工藝技術(shù)。為防止低溫部位的銨鹽析出堵塞管路，分別在熱高分氣空冷器和熱高分氣蒸汽發(fā)生器前注入脫硫凈化水(除鹽水)以溶解銨鹽。

1.2 閥門技術(shù)參數(shù)

閥門公稱直徑DN80，壓力等級(jí)1 500 LB，工作壓力20 MPa，工作溫度50 ℃，工作介質(zhì)為除鹽水，閥體材質(zhì)為鑄造CU5MCuC合金。CU5MCuC是ASTM相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中的一種鎳基合金材料，鍛件和板材相當(dāng)于Incoloy 825材質(zhì)，是一種添加了Mo-Cu-Ti(或Nb)的高Cr-Ni合金，國(guó)內(nèi)牌號(hào)為0Cr21Ni42Mo3Cu2Ti[1]，抗氯化物應(yīng)力腐蝕和點(diǎn)腐蝕性能優(yōu)異。

2 常規(guī)檢驗(yàn)

2.1 閥體PT檢測(cè)

將閥體從管線上切割拆下后，對(duì)閥體及閥體與接管連接的焊縫進(jìn)行PT檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)閥體上有多處單個(gè)和聚集的裂紋(見(jiàn)圖1)。A部位最長(zhǎng)裂紋約18 mm；B部位最長(zhǎng)裂紋約7 mm。經(jīng)低倍放大觀察可見(jiàn)焊接修補(bǔ)痕跡(見(jiàn)圖2)。在閥體上還發(fā)現(xiàn)有大面積的麻坑，麻坑直徑約1.5 mm，深約1.5 mm。

圖1 閥體滲透檢測(cè)宏觀形貌

圖2 焊接修補(bǔ)痕跡及裂紋形貌

2.2 化學(xué)成分分析

對(duì)閥體進(jìn)行化學(xué)成分分析,結(jié)果見(jiàn)表1。從表1可以看出，除錳含量略微超標(biāo)外，閥體其余元素的化學(xué)成分全部滿足ASTM標(biāo)準(zhǔn)要求。根據(jù)GB/T 222—2006《鋼的成品化學(xué)成分允許偏差》的有關(guān)規(guī)定，錳含量也在允許偏差范圍之內(nèi)。

表1 閥體化學(xué)成分分析結(jié)果 w，%

2.3 力學(xué)性能試驗(yàn)

從閥體上截取拉伸試樣，進(jìn)行常溫力學(xué)性能試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表2。從表2可以看出，閥體的抗拉強(qiáng)度等力學(xué)性能也滿足ASTM標(biāo)準(zhǔn)要求。

表2 拉伸試驗(yàn)結(jié)果

2.4 硬度檢測(cè)

將圖2所示的閥體A部位和B部位的補(bǔ)焊區(qū)取樣進(jìn)行硬度檢測(cè)，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 硬度測(cè)試結(jié)果 HV

從表3可以看出，補(bǔ)焊焊縫金屬的硬度為176.6～207.5 HV，補(bǔ)焊與閥體過(guò)渡區(qū)硬度為173.4～211.7 HV，閥體母材硬度為155.2～199.6 HV。測(cè)得的硬度值基本正常。

3 金相分析

將圖1所示的閥體A部位和B部位分別截取全厚度(閥體厚度約26 mm)金相試樣，進(jìn)行金相分析，發(fā)現(xiàn)局部有明顯補(bǔ)焊痕跡(B部位補(bǔ)焊最深處約7 mm)。

3.1 閥體A部位金相分析

將閥體出現(xiàn)裂紋的A部位用線切割進(jìn)行取樣(見(jiàn)圖3)，對(duì)取樣部位的母材和補(bǔ)焊區(qū)進(jìn)行金相分析,見(jiàn)圖4和圖5。從圖4和圖5可以看出：1號(hào)位置位于閥體的近外壁，為未補(bǔ)焊處的母材，可見(jiàn)明顯的沿晶微裂紋;2號(hào)和3號(hào)位置為閥體與補(bǔ)焊焊道的熔合線兩側(cè)，可觀察到從母材到焊縫的貫穿性裂紋，裂紋起源于母材熱影響區(qū)的晶界處;4號(hào)位置位于閥體截面中間，金相組織呈夾雜物聚集狀疏松形貌。

圖3 A部位表面形貌及金相分析位置

圖4 A部位1至3號(hào)位置金相

圖5 A部位4號(hào)位置金相

3.2 閥體B部位金相分析

將閥體出現(xiàn)裂紋的B部位用線切割進(jìn)行取樣(見(jiàn)圖6)，針對(duì)取樣部位的母材和補(bǔ)焊區(qū)域進(jìn)行金相分析(見(jiàn)圖7)。

圖6 B部位表面形貌及金相分析位置

從圖6和圖7可以看出：1號(hào)位置位于焊縫金屬本體靠近焊縫熔合線，發(fā)現(xiàn)有柱狀晶方向擴(kuò)展的裂紋，應(yīng)為母材裂紋擴(kuò)展所致。2號(hào)和3號(hào)位置為閥體與補(bǔ)焊焊道的熔合線兩側(cè)，從母材到焊縫有貫穿性裂紋，裂紋起源于母材熱影響區(qū)的晶界處。4號(hào)位置位于閥體截面中間，金相分析發(fā)現(xiàn)有明顯的縮孔現(xiàn)象。

3.3 裂紋斷口分析

將閥體切開(kāi)后，表面裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展為開(kāi)口狀(見(jiàn)圖8)，裂紋最深處為6 mm。閥體整體呈脆性狀態(tài)，敲擊閥體裂紋就會(huì)擴(kuò)展致脆性斷裂，其斷裂面見(jiàn)圖9和圖10。

圖8 閥體切開(kāi)后的裂紋擴(kuò)展形貌

圖9 閥體脆性斷裂情況

圖10 裂紋撕開(kāi)后的斷口形貌

圖10中的黑色部位為原始裂紋，白色部分為敲擊閥體造成的斷裂面，脆性特征明顯。將黑色部分放大后，可見(jiàn)斷口呈晶粒粗大的疏松特征(見(jiàn)圖11)。將白色部位放大，可見(jiàn)斷口呈解理斷裂特征，為鑄態(tài)脆性形貌(見(jiàn)圖12)。

圖11 原始斷口微觀形貌

圖12 新斷口脆性形貌

3.4 X射線能譜分析

在原始斷口上隨意選取2個(gè)部位進(jìn)行能譜分析，結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 X射線能譜分析結(jié)果 w，%

由表4可知，原始斷口存在以鉻和錳為主的氧化性?shī)A雜物，合金成分均不能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

3.5 閥體的檢查驗(yàn)收討論

綜合以上分析可知，出現(xiàn)在補(bǔ)焊部位的裂紋是從鑄件本體熱影響區(qū)穿過(guò)熔合線延伸至焊縫，母材中還有縮孔和夾雜物。出現(xiàn)在母材部位的原始裂紋經(jīng)能譜分析為氧化性?shī)A雜物，這些都說(shuō)明閥體存在嚴(yán)重質(zhì)量問(wèn)題。

根據(jù)ASTM A494/494M標(biāo)準(zhǔn)的補(bǔ)充要求，鑄件質(zhì)量驗(yàn)收的關(guān)鍵點(diǎn)如下：(1)焊接時(shí)，可對(duì)每道焊縫進(jìn)行冷卻，清潔以及目測(cè)裂紋情況，若發(fā)現(xiàn)裂紋，可以拒收。(2)用(NH4)2SO4+HCl+HNO3配比的蝕刻劑對(duì)樣品進(jìn)行蝕刻，在5倍和10倍的低倍條件下，觀察線性長(zhǎng)度上的裂紋，最多不能超過(guò)3條，且每條裂紋的長(zhǎng)度不能大于5 mm。(3)若在熱影響區(qū)或熔合區(qū)發(fā)現(xiàn)裂紋，則可以拒收該產(chǎn)品。

根據(jù)上述要點(diǎn)進(jìn)行判斷，焊后裂紋的數(shù)量和長(zhǎng)度都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，熱影響區(qū)和熔合區(qū)存在多處裂紋，該閥門閥體屬于不合格產(chǎn)品。

4 缺陷修補(bǔ)

由于現(xiàn)場(chǎng)缺乏DN250 、壓力等級(jí)1 500 LB的單向閥備件，只能對(duì)該批次閥門進(jìn)行修復(fù)使用。由于閥體裂紋很多，且存在疏松夾雜等缺陷，極大地增加了補(bǔ)焊難度。為此，制定了詳細(xì)的焊補(bǔ)工藝，進(jìn)行缺陷修復(fù)。對(duì)深度不大于0.5 mm的砂眼缺陷用砂輪片清理;深度大于0.5 mm的砂眼，采用鉆孔方法清除孔內(nèi)雜質(zhì)后，用氬弧焊進(jìn)行補(bǔ)焊。對(duì)所有裂紋予以機(jī)械清除，清除裂紋后用PT檢測(cè)，確認(rèn)無(wú)裂紋后再進(jìn)行氬弧焊修補(bǔ)。

4.1 焊接工藝及要求

缺陷修復(fù)采用氬弧焊焊補(bǔ)方法，焊絲為鎳基合金材料，成分與母材成分相近。其焊接工藝參數(shù)見(jiàn)表5。

表5 焊接工藝參數(shù)

鑄件焊接修復(fù)是一項(xiàng)細(xì)致復(fù)雜的工作，修復(fù)中使用的刨錘、鋼絲刷等工具應(yīng)采用不銹鋼材料；打磨焊縫應(yīng)采用不銹鋼專用砂輪片。焊接時(shí)采用小線能量及多層多道焊，層間溫度控制在100 ℃以下；底層焊道應(yīng)采用鎢極氣體保護(hù)焊，焊補(bǔ)過(guò)程中焊縫背面充氬保護(hù)。

4.2 修復(fù)質(zhì)量控制和檢驗(yàn)

(1)裂紋缺陷修補(bǔ)前做PT檢測(cè)，以確認(rèn)裂紋長(zhǎng)度。

(2)用刨錘和砂輪機(jī)清除裂紋，再進(jìn)行PT檢測(cè)，在確保根部無(wú)裂紋的情況下進(jìn)行焊接修補(bǔ)。

(3)嚴(yán)格按焊接工藝要求進(jìn)行缺陷修補(bǔ)施焊，做好焊接工藝參數(shù)的記錄工作，形成交工技術(shù)文件。

(4)修補(bǔ)完成后進(jìn)行100%PT檢測(cè)，在焊縫表面和熱影響區(qū)均未發(fā)現(xiàn)裂紋。

5 結(jié)論及建議

(1)渣油加氫裝置間斷注水截止閥閥體的化學(xué)成分、力學(xué)性能和維氏硬度檢測(cè)結(jié)果符合標(biāo)準(zhǔn)要求；閥體上的裂紋源于母材鑄造缺陷，與鑄造質(zhì)量有很大關(guān)系。

(2)金相分析表明，閥體存在疏松和縮孔等明顯缺陷；斷口能譜分析結(jié)果表明，閥體微觀成分存在嚴(yán)重偏析，組織中存在氧化性塊狀?yuàn)A雜物。

(3)根據(jù)ASTM相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)補(bǔ)充規(guī)定的要求，所發(fā)現(xiàn)的裂紋長(zhǎng)度和線性方向的裂紋數(shù)量都不能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，閥體為不合格產(chǎn)品。

(4)該批次閥門閥體本身存在嚴(yán)重質(zhì)量問(wèn)題，應(yīng)在使用過(guò)程中進(jìn)行跟蹤、監(jiān)測(cè)，并建議使用至下次停工檢修時(shí)予以全部更換，在采購(gòu)技術(shù)條件中增加ASTM相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)補(bǔ)充規(guī)定中的相應(yīng)要求。

(5)在征得原設(shè)計(jì)單位同意后，閥門閥體更換為DN250 、壓力等級(jí)2 500 LB的抗硫碳鋼鍛件，閥門內(nèi)件更改為Incoloy825鍛件，閥門兩端為法蘭連接結(jié)構(gòu)，避免焊接造成的次生問(wèn)題。