脫丁烷塔底再沸器浮頭鉤圈開裂失效分析

劉顯林，丁明生，陸曉峰

(1.中國(guó)石化揚(yáng)子石油化工有限公司，江蘇南京 210048

1 概況

某公司常減壓裝置脫丁烷塔底再沸器E-404B為浮頭式換熱器，型號(hào)為TBJS1300-4.5×3.6-415-6/25-4I。E-404B殼程介質(zhì)為脫丁烷塔底油，設(shè)計(jì)壓力為3.6 MPa，設(shè)計(jì)溫度為210 ℃，最高工作壓力為1.13 MPa，實(shí)際工作溫度為190.7 ℃；管程介質(zhì)為3.5 MPa蒸汽，設(shè)計(jì)壓力為4.5 MPa，設(shè)計(jì)溫度為420℃，最高工作壓力為3.5 MPa，實(shí)際工作溫度為380 ℃。2017年6月裝置檢修時(shí)，E-404B小浮頭處的螺栓緊固扭矩為2 300 N·m，水壓試驗(yàn)時(shí)發(fā)生泄漏，堵管7根。2018年3月28日對(duì)E-404B進(jìn)行檢修查漏，管程水壓試驗(yàn)至2.0 MPa，小浮頭泄漏，泄壓緊固，緊固扭矩為1 450 N·m，再次水壓試驗(yàn)至2.0 MPa，小浮頭泄漏。拆除檢查，發(fā)現(xiàn)小浮頭鉤圈開裂，見圖1。

圖1 E-404B鉤圈裂紋形貌

2 開裂失效分析

2.1 宏觀分析

鉤圈裂紋沿楔角根部向里擴(kuò)展，從側(cè)面可以看出鉤圈沿45°方向開裂。將圖2標(biāo)示位置的裂紋取出掰開，裂紋宏觀形貌如圖3所示。

2.2 材質(zhì)成分分析

對(duì)開裂鉤圈進(jìn)行材質(zhì)成分分析檢測(cè)，取樣部位見圖1，檢測(cè)結(jié)果見表1。

結(jié)果顯示，鉤圈材質(zhì)成分符合NBT 47008-2017《承壓設(shè)備用碳素鋼和合金鋼鍛件》標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)16Mn元素成分的規(guī)定。

2.3 金相組織分析

分別在1#和2#鉤圈上切割金相試樣，取樣位置如圖4所示，金相1#-1、2#-1觀察周向面金相，金相試樣2#-2，2#-3，2#-4觀察軸向面金相。

圖2 E-404B鉤圈楔角根部裂紋形貌

圖3 E-404B鉤圈裂紋宏觀形貌

表1 E-404B鉤圈成分分析結(jié)果 %

圖4 金相取樣示意

1#鉤圈1#-1試樣金相組織為鐵素體及片狀珠光體，鐵素體的晶粒均勻，見圖5；2#鉤圈2#-1試樣右邊靠近鉤圈端部位置的金相組織為鐵素體加貝氏體，且組織變化深度大約為3 mm，見圖6(a)，試樣左邊金相組織為鐵素體及塊狀分布的片狀珠光體，見圖6(b)；2#鉤圈2#-2試驗(yàn)金相組織為鐵素體及片狀珠光體，見圖7；2#鉤圈2#-3試樣楔角處金相組織為鐵素體和珠光體，與基體內(nèi)部的金相組織相同，且該處組織呈帶狀分布，見圖8；2#鉤圈2#-4試樣為裂紋處，金相組織為馬氏體，見圖9。

通過金相組織分析，鉤圈基體金相組織為鐵素體及片狀珠光體，與標(biāo)準(zhǔn)金相圖譜中16Mn正火處理后的組織形態(tài)相符。根據(jù)金相組織判斷，鉤圈未進(jìn)行回火處理；同時(shí)根據(jù)文獻(xiàn)[1-3]可知，16Mn鍛件經(jīng)過火焰切割后，其切割面表面金相組織可能為馬氏體生成，次表面的熱影響層組織為鐵素體加貝氏體，且組織變化深度主要在0～5 mm之間，與2#-4和2#-1觀察到的金相組織相符。

圖5 1#鉤圈試樣1#-1不同倍率下的金相組織

圖6 2#鉤圈試樣2#-1的金相組織

圖7 2#鉤圈試樣2#-2不同倍率下的金相組織

圖8 2#鉤圈試樣2#-3不同倍率下的金相組織

圖9 2#鉤圈試樣2#-4不同倍率下的金相組織

2.4 斷口SEM分析

圖10為斷口SEM圖，從(c)、(d)標(biāo)示中可觀察到解理面的存在，表明鉤圈開裂為脆性斷裂。

2.5 硬度測(cè)試

隨機(jī)取10個(gè)點(diǎn)，對(duì)鉤圈基體和端部進(jìn)行硬度測(cè)試，測(cè)量結(jié)果見表2。

圖10 鉤圈斷口SEM圖

結(jié)果顯示，基體區(qū)域的硬度值滿足JB 4726-2000《承壓設(shè)備用碳素鋼和合金鋼鍛件》標(biāo)準(zhǔn)中要求，但硬度平均值166 HB與標(biāo)準(zhǔn)上限180 HB接近；端部因?yàn)轳R氏體組織的存在，硬度值較大。

表2 圈硬度測(cè)量值 HB

2.6 拉伸性能測(cè)試

鉤圈的抗拉強(qiáng)度Rm、屈服強(qiáng)度Rp0.2和斷后伸長(zhǎng)率A滿足JB 4726-2000標(biāo)準(zhǔn)(≥41 J)要求，見表3。

2.7 沖擊性能測(cè)試

鉤圈沖擊試樣的沖擊功Kv2最大值為26 J，最小值為21 J，平均值為24 J，參照J(rèn)B 4726-2000，材質(zhì)的平均抗沖擊性能值僅為標(biāo)準(zhǔn)值下限的60%。

2.8 剪切應(yīng)力校核

經(jīng)計(jì)算，預(yù)緊扭矩2 300 N·m作用下的鉤圈剪切應(yīng)力τ為213.1 MPa，而16Mn的許用剪切應(yīng)力[τ]為138.4 MPa，顯然τ>[τ]；預(yù)緊扭矩1 450 N·m作用下的剪切應(yīng)力τ為134.3 MPa,小于16 Mn的許用剪切應(yīng)力[τ]。

表3 鉤圈拉伸試樣常溫拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)值

3 開裂原因分析

袁根福等[4]研究發(fā)現(xiàn)，斷裂韌性與沖擊功存在線性關(guān)系，即沖擊功越低，斷裂韌性越差，表明材料阻止裂紋擴(kuò)展的能力差。在較低強(qiáng)度水平時(shí)，強(qiáng)度相等而組織不同的鋼，其沖擊吸收能量和韌脆轉(zhuǎn)變溫度以回火索氏體最佳，貝氏體回火組織次之，片狀珠光體組織最差，尤其有自由鐵素體存在時(shí)，因?yàn)樽杂设F素體是珠光體鋼中解理裂紋易于擴(kuò)展的通道。

根據(jù)金相組織判斷，鉤圈未進(jìn)行正火+回火(回火溫度不低于620 ℃)工藝，采用的是正火工藝，導(dǎo)致鉤圈的金相組織狀態(tài)為沖擊韌性較差的片狀珠光體組織，抗沖擊性能值僅為標(biāo)準(zhǔn)值下限的60%(常溫沖擊功僅為24 J)，缺口敏感性較強(qiáng)。一方面由于鉤圈的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，其楔角處存在嚴(yán)重的應(yīng)力集中，另一方面由于鉤圈鍛件火焰切割面表面與次表面的熱影響層金相組織不同，容易形成較大的組織應(yīng)力，而熱處理工藝的不合理，易在鉤圈楔角處形成裂紋，在第一次在螺栓上施加2 300 N·m扭矩時(shí)，由于施加扭矩過大，鉤圈剪切應(yīng)力超過其材16Mn的許用剪切應(yīng)力，可能導(dǎo)致鉤圈在楔角處產(chǎn)生微裂紋，由于材質(zhì)的斷裂韌性較差，其阻止裂紋擴(kuò)展的能力較差，第二次在螺栓上施加1 450 N·m扭矩時(shí)，導(dǎo)致裂紋迅速發(fā)生擴(kuò)展，最終導(dǎo)致鉤圈發(fā)生脆性斷裂。

4 應(yīng)對(duì)措施

針對(duì)E-404B浮頭鉤圈開裂的原因，建議采取如下措施。

a)改進(jìn)鉤圈材料的熱處理工藝，采用正火+回火(回火溫度不低于620 ℃)的熱處理工藝，提高材料的沖擊韌性。

b)適當(dāng)增大鉤圈楔角處的圓角半徑，減小粗糙度值，提高表面加工質(zhì)量，以降低楔角處應(yīng)力集中。

c)控制螺栓的預(yù)緊扭矩。

5 結(jié)論

E-404B浮頭鉤圈開裂是由于熱處理工藝不合理導(dǎo)致材料金相組織狀態(tài)為沖擊韌性較差的片狀珠光體組織，在高的螺栓預(yù)緊扭矩的協(xié)同作用下產(chǎn)生的脆性斷裂。