常減壓裝置常壓塔塔盤開裂失效的原因分析及治理

馬麗濤

(中國石油天然氣股份有限公司大慶石化分公司，黑龍江 大慶 163711)

1 常壓塔塔盤開裂失效情況

某煉油廠600萬t/a常減壓裝置常壓塔(T102)塔盤發(fā)生開裂，裝置檢修期間將56層塔盤全部拆卸進行更換。常壓塔操作壓力為0.1 MPa，塔頂操作溫度為105 ℃，塔底操作溫度為355 ℃，塔盤材質(zhì)為 304(06Cr19Ni10)，壁厚為4 mm。現(xiàn)場可見：塔頂部4層塔盤開裂嚴(yán)重(如圖1所示)，出現(xiàn)碎裂，其余塔盤均發(fā)現(xiàn)明顯裂紋；有的塔盤發(fā)生了彎曲變形，彎曲方向向下。檢查其他塔內(nèi)件發(fā)現(xiàn)，塔盤支撐梁發(fā)生嚴(yán)重彎曲變形，如圖2所示。塔盤變形、開裂會嚴(yán)重影響塔盤的使用強度，碎裂部位會影響塔的分離效率，嚴(yán)重時將直接導(dǎo)致裝置非計劃停工，因此塔盤的開裂必須得到有效的分析和治理。

圖1 常壓塔塔盤開裂失效

2 常壓塔塔盤開裂失效原因分析

常壓塔頂部4層塔盤出現(xiàn)嚴(yán)重碎裂，其余52層塔盤均出現(xiàn)不同程度的開裂問題，塔盤支撐梁雖然發(fā)生變形但塔盤沒有從安裝位置脫離，所以基本可以排除長時間超溫、超壓、超負(fù)荷運行造成的塔盤開裂失效。從現(xiàn)場開裂塔盤上掰下碎裂部件，清理掉表面的浮銹和油污，制作成 18個試件(如圖3所示)，并從塔盤失效部位的宏觀、微觀和金相組織結(jié)構(gòu)對塔盤材質(zhì)進行分析，查找塔盤開裂的主要原因。

圖2 常壓塔塔盤支撐梁變形

圖3 截取塔盤開裂部位制作的試件

2.1 塔盤宏觀檢查分析

對塔盤試件上表面宏觀形貌(如圖4所示)進行檢查發(fā)現(xiàn)，其上表面裂紋很少，不同區(qū)域分布有明顯的腐蝕坑，說明塔盤處于腐蝕環(huán)境中，而且塔盤運行過程中出現(xiàn)的是點腐蝕。

圖4 塔盤上表面宏觀形貌

塔盤試件下表面宏觀形貌見圖5。圖5顯示：其下表面沿縱向、橫向分布多條裂紋，其中有清晰的大裂紋，同時周圍也有零星分布的小裂紋，并且試件明顯存在向下彎折形貌，說明塔盤上表面受壓應(yīng)力、塔盤下表面受拉應(yīng)力【1】；下表面也有較多的腐蝕坑，數(shù)量明顯較上表面多，面積和深度較上表面的更大更深。裝置正常生產(chǎn)時，塔盤受到液層的沖擊載荷促使塔盤向下彎折，因此可以判定，裂紋是從塔盤的下表面開始萌生。

圖5 塔盤下表面宏觀形貌

將塔盤試件裂紋部位掰斷，斷口宏觀形貌如圖6所示。塔盤掰斷的新鮮斷口位于試件的上表面一側(cè)，裂紋是由下表面開始萌生的,試件斷口的舊擴展區(qū)顏色灰暗，說明斷口開裂過程受到腐蝕作用。

圖6 塔盤斷口宏觀形貌

2.2 塔盤微觀檢查分析

將塔盤試樣表面用離子濺射儀進行噴金導(dǎo)電處理，用掃描電鏡觀察塔盤試件微觀結(jié)構(gòu)以及微觀表面形貌，查找塔盤開裂失效的原因。將圖6所示的塔盤掰斷的新鮮斷口放大1 000倍，得到的表面形貌，見圖7。圖7顯示，其微觀結(jié)構(gòu)韌窩孔洞細(xì)小均勻，無較多或者大尺寸的非金屬夾雜物，說明塔盤材質(zhì)正常、無脆化現(xiàn)象。

圖7 塔盤斷口新掰斷區(qū)的微觀形貌(1 000×)

塔盤試件下表面腐蝕凹坑放大40倍微的觀形貌見圖8。圖8顯示，一條直裂紋貫穿兩個腐蝕凹坑，說明腐蝕凹坑對裂紋的萌生起到促進作用。如圖9所示，腐蝕凹坑附近存在肉眼無法識別的微裂紋，尺寸為1.26 μm。腐蝕坑底部放大100倍微觀形貌見圖10。圖10顯示，腐蝕坑底部的腐蝕產(chǎn)物層較厚，并且開裂破碎(此處為裂紋源)。從腐蝕坑底部形貌可以判斷，腐蝕凹坑不是流體沖刷或者氣蝕造成的，而是因點蝕嚴(yán)重形成的。

圖8 塔盤下表面微觀形貌(40×)

圖9 塔盤下表面微裂紋的微觀形貌(500×)

圖10 塔盤下表面腐蝕坑底部微觀形貌(100×)

對塔盤斷口裂紋源區(qū)及其附近區(qū)域進行微觀形貌觀察(如圖11所示)，圖11顯示，腐蝕比較嚴(yán)重，斷口表面覆蓋一層較厚的腐蝕產(chǎn)物。圖12所示的塔盤斷口靠近源區(qū)的擴展區(qū)腐蝕也較嚴(yán)重，但是斷口上又出現(xiàn)了一些細(xì)小的二次裂紋，這是應(yīng)力腐蝕開裂的微觀特征【2】。

圖11 塔盤斷口裂紋源區(qū)的微觀形貌(100×)

圖12 塔盤斷口靠近源區(qū)的擴展區(qū)微觀形貌(500×)

塔盤斷口擴展區(qū)的微觀形貌見圖13。圖13顯示，斷口裂紋擴展區(qū)呈現(xiàn)整體解理斷口和二次裂紋特征，該特征屬于應(yīng)力腐蝕開裂典型特征，同時在斷口擴展區(qū)上還發(fā)現(xiàn)了少量疲勞輝紋(相互平行條紋)。將斷口裂紋擴展區(qū)放大至1 000倍(見圖14)。圖14顯示，該區(qū)域出現(xiàn)大量的疲勞輝紋，由此可以判定塔盤應(yīng)力腐蝕斷裂過程兼有疲勞機制共同作用。

利用能譜儀檢測試件斷口表面的腐蝕產(chǎn)物成分，分析不同部位的3件塔盤試件，分析結(jié)果如表1～表3所示。由表1～表3可知，3件塔盤試件的腐蝕產(chǎn)物中均出現(xiàn)Cl元素,含量分別為2.32%、0.24%和1.2%。Cl元素是奧氏體不銹鋼應(yīng)力腐蝕最敏感的微量元素【3】，由此可以說明，塔盤發(fā)生了Cl-造成的應(yīng)力腐蝕開裂。

圖13 塔盤斷口擴展區(qū)的微觀形貌(300×)

圖14 塔盤斷口裂紋擴展區(qū)的微觀形貌(1 000×)

表1 塔盤斷口1號試件表面腐蝕產(chǎn)物成分w，%

表2 塔盤斷口2號試件表面腐蝕產(chǎn)物成分w，%

表3 塔盤斷口3號試件表面腐蝕產(chǎn)物成分w，%

2.3 塔盤金相組織分析

選取4個塔盤試件，經(jīng)過金相砂紙和金剛石膏的研磨和拋光，用王水溶液腐蝕，再用金相顯微鏡檢測分析金相組織裂紋擴展形態(tài)，如圖15所示。圖15顯示，塔盤金相組織為奧氏體+少量鐵素體，晶粒尺寸比較細(xì)小，晶粒度約為7.5級，金相組織正常。如圖16所示，塔盤金相組織中的裂紋擴展路徑出現(xiàn)分枝現(xiàn)象，進一步印證了該塔盤發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂的判斷。

圖15 塔盤的金相組織(500×)

3 常壓塔塔盤開裂失效的治理

常壓塔塔盤開裂失效的主要原因有二：一是由于塔盤底部受拉應(yīng)力和Cl-共同作用產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕開裂；二是流體沖擊波動脈沖條件下，塔盤上下震顫產(chǎn)生交變疲勞載荷，誘發(fā)了疲勞裂紋。針對上述情況，制定合理的治理措施如下：

1) 提升塔盤材質(zhì)，采用耐腐蝕性更強的雙相不銹鋼，材質(zhì)由304奧氏體不銹鋼升級為2205雙相不銹鋼；

2) 改進設(shè)計，適當(dāng)加大支撐梁和塔盤厚度，增加支撐點以減小塔盤跨度，提高支撐梁承載能力，減少沖擊載荷下塔盤彈塑性彎曲變形。

3) 穩(wěn)定電脫鹽效果，對常壓塔頂定期進行腐蝕采樣監(jiān)測，監(jiān)控塔頂Cl-、Fe3+含量。

4 結(jié)語

本文結(jié)合塔盤開裂的現(xiàn)場實際情況，從塔盤母材的內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)分析入手，對失效塔盤開裂部位的宏觀特征、微觀結(jié)構(gòu)以及金相組織展開分析，找出塔盤開裂的主要原因。根據(jù)塔盤開裂原因制定了科學(xué)的治理措施。治理后，裝置自2018年7月開工運行至2019年1月，常壓塔操作平穩(wěn)，各個側(cè)線抽出產(chǎn)品合格,確保了常減壓裝置安全可靠運行。