乙烯裝置氫-甲烷分離器上封頭開(kāi)裂泄漏原因分析

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(福建聯(lián)合石油化工有限公司，福建 泉州 362800)

1 低溫氫-甲烷分離器工況

2009年某公司乙烯裝置1號(hào)氫-甲烷分離器D30304投用，2015年4月16日D30304上封頭保溫圈位置發(fā)生泄漏，該設(shè)備自2009年投用后除此次泄漏外并未出現(xiàn)過(guò)其他故障。

D30304利用焦耳-湯姆遜系統(tǒng)中液化甲烷的膨脹對(duì)氫氣進(jìn)行提純，其設(shè)計(jì)溫度為-155 ℃，設(shè)計(jì)壓力為4.6 MPa，操作壓力為3.65 MPa，操作溫度為-144 ℃，規(guī)格為800 mm×16 mm×9 920 mm，材質(zhì)為0Cr18Ni9(304),介質(zhì)組分主要為甲烷-氫氣。分離器上部主要為氣相H2,微量CH4,CO和C2H4，下部主要為液相CH4,微量CO，H2，C2H4，C2H2和C2H6。

2 裂紋檢查及分析

2.1 宏觀檢查

現(xiàn)場(chǎng)宏觀檢查發(fā)現(xiàn)，D30304泄漏位置為上封頭直邊與折邊過(guò)渡段，見(jiàn)圖1。從泄漏物呈白色的噴射狀可以看出該部位為穿透裂紋，且尺寸較大。經(jīng)仔細(xì)觀察，共發(fā)現(xiàn)5處垂直于環(huán)焊縫的穿透性縱向裂紋，裂紋起源于保溫圈焊縫上邊熱影響區(qū)，向封頭中心位置延伸，開(kāi)裂長(zhǎng)度6～10 mm，泄漏介質(zhì)主要是氫氣。

2.2 滲透檢測(cè)

對(duì)D30304更換下來(lái)的有缺陷的上封頭進(jìn)行了滲透檢測(cè)。檢測(cè)結(jié)果表明，封頭3處保溫支撐件上均有穿透性縱向裂紋。內(nèi)壁裂紋長(zhǎng)，外壁裂紋短，裂紋自內(nèi)向外擴(kuò)展。

保溫圈焊縫上邊熱影響區(qū)共檢測(cè)到5處(8條)裂紋(其中第3處2條裂紋，第5處3條裂紋)，8條裂紋編號(hào)為1至8，裂紋開(kāi)裂位置見(jiàn)圖2。內(nèi)外壁裂紋開(kāi)裂長(zhǎng)度見(jiàn)表1。內(nèi)壁裂紋開(kāi)裂長(zhǎng)度最長(zhǎng)達(dá)到39 mm，最短為5 mm。其中5條為穿透裂紋，分別為1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)、5號(hào)和6號(hào)。

2.3 硬度檢測(cè)

現(xiàn)場(chǎng)對(duì)D30304上封頭進(jìn)行了硬度檢測(cè)，封頭測(cè)試位置見(jiàn)圖3，封頭硬度檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2。由表2可以看出,封頭的硬度由封頭中心、到過(guò)渡段、再到直邊段硬度呈明顯上升趨勢(shì)。封頭頂部中心處硬度為177 HB，而直邊段的硬度已經(jīng)高達(dá)300 HB以上,0Cr18Ni9奧氏體不銹鋼材質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)硬度上限值為210 HB,這說(shuō)明奧氏體不銹鋼冷加工硬化實(shí)質(zhì)為產(chǎn)生了形變馬氏體。冷加工變形程度越大，產(chǎn)生的形變馬氏體也愈多，其硬度就愈高。

圖2 上封頭內(nèi)壁滲透檢測(cè)示意

mm

圖3 封頭測(cè)試位置示意

2.4 鐵素體檢測(cè)

用鐵素體測(cè)量?jī)x按圖3對(duì)D30304上封頭進(jìn)行鐵磁相檢測(cè)，測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表3。由表3可知，在距離直邊段附近位置鐵素體質(zhì)量分?jǐn)?shù)比較高，為10%左右，而封頭頂部中心處為0.53%，基本正常。但整個(gè)封頭鐵素體質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布由中心至邊緣呈明顯上升趨勢(shì)，靠近開(kāi)裂直邊段位置的鐵素體質(zhì)量分?jǐn)?shù)明顯偏高，說(shuō)明封頭冷成型后未進(jìn)行固溶處理，加工過(guò)程中出現(xiàn)了形變馬氏體，由此使得封頭直邊段強(qiáng)度、硬度有所提高，而塑性和抗腐蝕性能下降。

表3 上封頭鐵素體測(cè)定結(jié)果 w,%

2.5 金相分析

2.5.1 裂紋金相

選取裂紋2的部位，環(huán)向截取全厚度金相試樣，通過(guò)顯微觀察發(fā)現(xiàn)，穿透性裂紋是內(nèi)部裂紋誘發(fā)，由內(nèi)向外擴(kuò)展延伸所致。從裂紋的微觀形貌可以看出：裂紋以穿晶擴(kuò)展為主，裂紋附近的組織有大量形變誘導(dǎo)馬氏體(見(jiàn)圖4)，從而進(jìn)一步驗(yàn)證了硬度與鐵素體檢測(cè)結(jié)果;位于試樣內(nèi)壁支撐圈焊縫位置呈現(xiàn)相互平行的微裂紋。

圖4 裂紋局部微觀形貌

2.5.2 直邊段金相組織

對(duì)直邊段的不同部位進(jìn)行金相組織觀察，結(jié)果見(jiàn)圖5。整個(gè)金相面均有大量的滑移線，特別是近外壁和近內(nèi)壁有較多形變馬氏體，近外壁的晶粒明顯大于其他部位。位于1/2厚度處有較多條形鐵素體，電子顯微觀察可見(jiàn)鐵素體有呈條形狀的，也有呈點(diǎn)狀的。支撐件的焊縫金屬為正常的奧氏體+δ鐵素體(見(jiàn)圖6)。

圖5 直邊段金相組織

圖6 支撐件焊縫金屬金相組織

2.6 斷口分析

2.6.1 宏觀斷口

將裂紋3上的穿透裂紋打開(kāi)觀察其宏觀相貌，斷裂面較平，裂紋是由內(nèi)壁向外壁擴(kuò)展，按斷裂面上放射紋路的走向可推斷裂紋的啟裂部位，該斷裂面呈典型的脆性斷口特征。

2.6.2 微觀斷口

用掃描電鏡對(duì)斷口進(jìn)行微觀分析，分析部位見(jiàn)圖7。斷口微觀形貌見(jiàn)圖8。由圖8可見(jiàn)，斷口的微觀形貌既有穿晶又有沿晶，斷裂面從啟裂到擴(kuò)展均可見(jiàn)有較直的裂紋，裂紋間有相互平行的，有呈一定角度的，具有氫致開(kāi)裂特征。

圖7 微觀分析部位

圖8 斷口微觀形貌

2.7 能譜分析

用X射線能譜儀分別對(duì)斷口表面進(jìn)行微區(qū)成分分析，結(jié)果見(jiàn)表4。由表4可知，斷口表面腐蝕性元素較多，主要有C，O和S等。

表4 X射線能譜成分分析 w,%

3 開(kāi)裂原因分析

3.1 封頭應(yīng)力分析

封頭采用冷沖壓工藝成型，在此過(guò)程中不可避免產(chǎn)生了一定的殘余應(yīng)力和冷作硬化。而沿著折邊位置的保溫圈支撐板在施工現(xiàn)場(chǎng)沿周向焊接，未進(jìn)行固溶處理，存在殘余焊接應(yīng)力，為應(yīng)力集中區(qū)。上封頭保溫圈焊接示意圖見(jiàn)圖9。保溫圈寬度達(dá)195 mm，厚度為14 mm，相當(dāng)于在焊接支撐板位置將鋼板厚度增加為195 mm，高度為14 mm。容器內(nèi)壁操作溫度為-144 ℃，在低溫下內(nèi)壁有強(qiáng)烈冷縮傾向，而外壁溫度為室溫，由于保溫圈支撐板處于外壁常溫狀態(tài)，且厚度較大，對(duì)外壁約束作用更大，近外壁的晶粒明顯大于其他部位。當(dāng)罐內(nèi)壁強(qiáng)烈冷縮，而外壁在保溫圈約束下基本維持穩(wěn)定不變，這樣在封頭縱向區(qū)域就產(chǎn)生了應(yīng)力差，隨著時(shí)間延長(zhǎng)，應(yīng)力累積劇增，就產(chǎn)生縱向裂紋，這也是D30304上封頭裂紋均出現(xiàn)在支撐件焊接部位的原因。

圖9 上封頭保溫圈焊接示意

3.2 封頭成型

D30304封頭加工方法為冷沖壓成型，開(kāi)裂位置位于封頭折邊處，且均在保溫圈支撐板上方。對(duì)冷沖壓的奧氏體不銹鋼封頭，其成型后未進(jìn)行固溶處理。但304不銹鋼為亞穩(wěn)態(tài)奧氏體不銹鋼,亞穩(wěn)態(tài)型奧氏體不銹鋼在室溫時(shí)是奧氏體，但在冷加工時(shí)部分奧氏體就會(huì)轉(zhuǎn)變成形變馬氏體，形變馬氏體可以使材料硬度變大，產(chǎn)生應(yīng)力集中[1]。而硬度檢測(cè)、鐵素體檢測(cè)及金相組織分析結(jié)果顯示，開(kāi)裂部位金相組織中出現(xiàn)了大量形變馬氏體，硬度和鐵素體含量均明顯高于封頭頂部。

3.3 環(huán)境因素

在低溫臨氫條件下，形變馬氏體對(duì)奧氏體不銹鋼性能破壞性不可小覷。有研究表明，奧氏體不銹鋼在長(zhǎng)期充氫狀態(tài)下，其內(nèi)部的形變馬氏體能吸氫。文獻(xiàn)[2]認(rèn)為，溫度低于-50 ℃、氫分壓高于0.6 MPa時(shí)應(yīng)考慮冷加工產(chǎn)生的形變馬氏體對(duì)奧氏體不銹鋼性能的影響。根據(jù)HG 20585—2011《鋼制低溫壓力容器技術(shù)規(guī)定》條文第2(4)解釋，對(duì)于奧氏體不銹鋼低溫臨氫設(shè)備，當(dāng)氫分壓大于或等于0.6 MPa時(shí)的冷加工成型的凸型封頭成型后應(yīng)進(jìn)行固溶熱處理。D30304下部主要為液相CH4，上部為氣相H2及微溶部分C1和C2。罐內(nèi)氫分壓遠(yuǎn)高于0.6 MPa，處于“充氫狀態(tài)”。 加之D30304封頭加工方法為冷沖壓成型，且未做固溶處理,因此導(dǎo)致封頭開(kāi)裂。

王健等研究表明[3]，3種奧氏體不銹鋼在低溫-196 ℃下進(jìn)行拉伸性能測(cè)試均誘發(fā)形成形變馬氏體。而D30304操作溫度為-144 ℃，保溫支撐圈區(qū)域在低溫拉伸狀態(tài)下，誘發(fā)形成更多形變馬氏體，導(dǎo)致其韌性下降，在吸氫狀況下，應(yīng)力集中區(qū)發(fā)生氫脆，造成開(kāi)裂。通過(guò)金相組織分析及能譜分析結(jié)果可以看出，斷裂具有典型的氫脆斷裂特征。

4 結(jié)論及建議

(1)0Cr18Ni9不銹鋼為亞穩(wěn)態(tài)奧氏體不銹鋼，亞穩(wěn)態(tài)奧氏體不銹鋼材料在設(shè)備加工制造過(guò)程中經(jīng)過(guò)冷軋、冷拔、冷彎等冷加工工藝，會(huì)發(fā)生變形，促進(jìn)部分奧氏體組織轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體組織，即發(fā)生馬氏體相變。同時(shí)，若是處于低溫充氫復(fù)雜工況下更易誘發(fā)形成馬氏體造成氫脆開(kāi)裂。所以實(shí)際工作中，必須根據(jù)使用的工況，確定合適的加工工藝。對(duì)于低溫臨氫環(huán)境下使用的冷沖壓成型的奧氏體不銹鋼設(shè)備，必須進(jìn)行固溶化處理。

(2)低溫壓力容器結(jié)構(gòu)盡可能簡(jiǎn)單，減少焊接件的影響。

(3)盡量避免產(chǎn)生過(guò)大的溫度梯度，減少局部的應(yīng)力集中以及截面的急劇變化。

(4)對(duì)冷沖壓加工成型封頭需改進(jìn)工藝，進(jìn)行固溶處理，避免產(chǎn)生冷作硬化現(xiàn)象，改善設(shè)備韌性。

(5)設(shè)備安裝投用之前，對(duì)設(shè)備封頭焊接焊縫位置進(jìn)行硬度、鐵素體含量、PMI(材料可靠性鑒別)測(cè)試，避免不合格封頭引入。

(6)工藝操作盡量平穩(wěn)，尤其是針對(duì)低溫或高溫設(shè)備，避免溫度升降過(guò)快，產(chǎn)生熱應(yīng)力，損傷設(shè)備，產(chǎn)生裂紋。

(7)優(yōu)化焊接及焊后處理工藝，增加小電流、低電壓及快速焊，嚴(yán)格控制層間溫度，焊縫背面充氬，焊后急冷、焊后熱處理消除應(yīng)力等工序方可降低焊縫裂紋，減少應(yīng)力集中。