催化裝置再生滑閥閥桿斷裂的原因分析

黃紹碩，呂運(yùn)容，李偉明

（1.中國石化湛江東興石油化工有限公司，廣東湛江 524012；2.廣東石油化工學(xué)院廣東省石化裝備故障診斷重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東茂名 525000）

0 引言

再生滑閥在反應(yīng)再生生產(chǎn)中對催化裂化的反應(yīng)溫度、物料調(diào)節(jié)以及壓力控制起到關(guān)鍵作用，而閥桿則是控制這些生產(chǎn)工況的主要組件之一[1-2]。在緊急情況下，再生滑閥還起到切斷兩器自保的安全作用。如在催化裂化裝置中作為催化劑外循環(huán)的調(diào)節(jié)閥和安保切斷閥；在再生氣壓控制中，煙氣流程上的滑閥也同樣起到兩器安全和煙機(jī)安全的保護(hù)作用[3-6]。

圖1 現(xiàn)場情況及閥桿斷裂部位

2019 年8 月，湛江某石化公司催化裝置進(jìn)行大修，發(fā)現(xiàn)再生滑閥閥桿發(fā)生斷裂，且滑閥頸部的閥腔堆滿催化劑，現(xiàn)場情況及閥桿斷裂位置如圖1所示。其中閥桿與閥板連接部位為T型頭結(jié)構(gòu)，閥桿主體材質(zhì)為4Cr14Ni14W2Mo，除了T形頭和螺紋部分外，閥桿表面噴焊一層Ni60或其他類似的硬質(zhì)合金材料，噴焊層加工后的厚度不小于0.5 mm。為了防止類似的事件的重復(fù)發(fā)生而產(chǎn)生安全事故，對斷裂閥桿進(jìn)行綜合分析，找出閥桿斷裂的原因，達(dá)到提高閥門的使用壽命和安全可靠性[7-8]。

1 試驗(yàn)分析

閥桿完全斷開為兩段，斷裂部位位于閥桿大端，距T 形頭端部約60 mm，如圖2所示。根據(jù)分析需要，對斷裂閥桿進(jìn)行宏觀檢查、化學(xué)成分分析、硬度檢測、機(jī)械性能分析、金相分析及斷口電鏡掃描分析。

圖2 斷裂位置示意圖

1.1 宏觀檢查

斷口原始表面被堆積的催化劑覆蓋，完全觀察不到斷口的形貌。將閥桿側(cè)的斷口用煤油浸泡、洗刷和超聲波清洗，得到干凈斷口，如圖3所示。

圖3 閥桿斷口清洗前（左）與清洗后（右）

從斷口形貌可以判斷，斷口為脆性斷口，斷口沒有明顯的塑性變形和剪切唇，也沒有頸縮現(xiàn)象；斷口呈V 字形，且有多個臺階和斷裂面，斷裂十分復(fù)雜；另外，沿閥桿斷口四周邊緣可觀察到多條軸向二次裂紋。為了觀察軸向裂紋的形貌，在閥桿變徑處切斷，橫截面上可觀察到多條裂紋，裂紋均起源于閥桿圓周邊緣，并向中心擴(kuò)展，尾部有分叉；放大后可觀察到裂紋沿晶擴(kuò)展，局部有脫落的晶粒，如圖4所示。

從上述觀察分析可以看出，斷口十分復(fù)雜，且無法辨認(rèn)裂紋源部位。為了進(jìn)一步觀察分析裂紋的萌生和發(fā)展過程，將斷口兩側(cè)的閥桿清洗后組對在一起，組對后發(fā)現(xiàn)有一條軸向裂紋貫穿主斷口，如圖5中箭頭所示。分析認(rèn)為這條裂紋為初始裂紋，圖5描述了該裂紋的萌生和擴(kuò)展過程。裂紋首先萌生于閥桿變徑臺階的腐蝕坑或應(yīng)力集中處，在應(yīng)力或腐蝕的作用下沿閥桿軸向擴(kuò)展，并在擴(kuò)展過程中發(fā)生多個分叉，有的沿橫截面方向擴(kuò)展，最終導(dǎo)致閥桿斷裂。圖5中0點(diǎn)為裂紋源點(diǎn)，裂紋啟裂后，向閥桿中心和軸向擴(kuò)展，其中向T 形頭方向擴(kuò)展的裂紋發(fā)生了橫向分叉，圖5a、b、c 中標(biāo)記1、2、3、4 箭頭描繪了向左側(cè)擴(kuò)展的裂紋；圖5a、d、e 中標(biāo)記1、5、6、7、8箭頭描繪了向右側(cè)擴(kuò)展的裂紋；裂紋最終在4、8處發(fā)生斷裂，形成一個比較平整的斷面。

1.2 化學(xué)成分分析

圖4 閥桿側(cè)斷口二次裂紋橫截面宏觀形貌

圖5 裂紋萌生與擴(kuò)展過程

對閥桿進(jìn)行化學(xué)成分分析試驗(yàn)結(jié)果如表1 所示。分析結(jié)果顯示，Ni 含量略低于標(biāo)準(zhǔn)值，其它化學(xué)成分符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

1.3 硬度檢測

對閥桿外表面進(jìn)行了硬度檢測，檢測結(jié)果如表2 所示。分析結(jié)果表明，閥桿材料硬度基本符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

1.4 機(jī)械性能分析

對閥桿取樣進(jìn)行常溫力學(xué)性能測試，試驗(yàn)結(jié)果如表3、表4所示。常溫拉伸測試結(jié)果顯示，閥桿材料的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、斷后伸長率、沖擊功均符合標(biāo)準(zhǔn)要求，而且T 形頭受高溫部位的沖擊功遠(yuǎn)大于低溫部位閥桿的沖擊功，說明經(jīng)長期高溫環(huán)境下服役，閥桿材料并沒有發(fā)生明顯脆化。

1.5 金相分析

取閥桿橫截面進(jìn)行金相觀察，閥桿材料金相組織，屬于奧氏體組織，晶粒度為4 級，與4Cr14Ni14W2Mo 經(jīng)1200℃固溶處理的金相組織相似，如圖6所示，晶粒較為粗大，碳化物呈粿粒或小塊狀分布在晶體和晶界上，符合耐熱奧低體不銹鋼的組織要求。

從裂紋的金相可以看出，裂紋起源于閥桿圓周邊緣的腐蝕坑，并沿晶擴(kuò)展，擴(kuò)展過程中有分叉，尖端部位分叉更明顯，如圖7所示。對裂紋中腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行能譜分析，裂紋中部能譜分析顯示（圖8），腐蝕產(chǎn)物中硫含量達(dá)3.1%，說明介質(zhì)和腐蝕產(chǎn)物中含有硫或硫化物；選取兩個裂紋尖端進(jìn)行腐蝕產(chǎn)物能譜分析，裂紋尖端腐蝕產(chǎn)物中含有硫和氯，裂尖1處硫含量為0.19%、氯含量為0.16%（圖9），裂尖2 處硫含量為0.22%、氯含量為0.21%。

綜合上述金相觀察結(jié)果可以看出，閥桿材料金相組織為耐熱不銹鋼的正常奧氏體組織，碳化物呈粿?；蛐K狀分布在晶體和晶界上，沒有發(fā)現(xiàn)碳化物和σ相在晶界上明顯析出現(xiàn)象；裂紋起源于閥桿圓周邊緣的腐蝕坑，并沿晶擴(kuò)展，斷面為典型脆性解理斷口，裂紋尖端主要腐蝕物質(zhì)為硫和氯的化合物。因此從宏觀上判斷，該閥桿材料發(fā)生斷裂的原因可能是由硫化物和氯化物引起的應(yīng)力腐蝕破壞所致。

表1 化學(xué)成分分析結(jié)果

表2 硬度測量值

表3 常溫拉伸測試結(jié)果

表4 常溫沖擊分析結(jié)果

圖6 閥桿材料金相組織與4Cr14Ni14W2Mo經(jīng)1 200 ℃金相組織

圖7 裂紋金相組織（50X）

圖8 裂紋中部能譜分析結(jié)果

圖9 裂紋尖端能譜分析結(jié)果

1.6 斷口電鏡掃描分析

為了進(jìn)一步觀察起始裂紋的萌生及擴(kuò)展過程，將圖10所示閥桿側(cè)閥桿沿虛線剖開,選擇起始裂紋斷面和主斷面進(jìn)行電鏡掃描觀察，如圖11所示。

圖10 剖分部位示意圖

圖11 斷口掃描電鏡觀察部位

裂紋源區(qū)域通過掃描電鏡觀察，發(fā)現(xiàn)該區(qū)域表面覆蓋有光滑金屬，為一薄層鋁的化合物，透過覆蓋層仍可觀察到斷面上沿晶開裂的特征，說明裂紋源部位的斷口為沿晶開裂，同時(shí)說明該鋁薄層是在閥桿材料腐蝕開裂后覆蓋上去的（可能是短時(shí)超溫導(dǎo)致催化劑粉塵熔鋪在該斷面上）；裂紋起源于閥桿表面的蝕坑，沿晶擴(kuò)展，呈現(xiàn)冰糖狀斷口，放大后可觀察到河流狀花樣的解理斷裂，如圖12所示。起始裂紋斷面裂紋擴(kuò)展區(qū)、裂紋尖端和主斷面端斷口形貌均為沿晶開裂的解理斷口形貌。

圖12 起始裂紋斷面27X與100X放大圖

2 分析討論

根據(jù)宏觀觀察與金相結(jié)果知道，閥桿斷裂是典型的脆性斷裂，裂紋萌生于閥桿變徑臺階的腐蝕坑或應(yīng)力集中處，在應(yīng)力或腐蝕的作用下向閥桿中心和軸向沿晶擴(kuò)展，并在擴(kuò)展過程中發(fā)生多個分叉，有的沿著與主應(yīng)力垂直的橫截面方向擴(kuò)展，并最終導(dǎo)致閥桿斷裂。金相組織結(jié)果還表明，裂紋尖端主要腐蝕物質(zhì)為硫和氯的化合物，因此認(rèn)為該閥桿材料斷裂的原因可能是硫化物和氯化物應(yīng)力腐蝕破壞所致。

從理化檢測可知，閥桿的化學(xué)成分除Ni含量略低于標(biāo)準(zhǔn)值外，其他成分符合標(biāo)準(zhǔn)要求。另外，閥桿的硬度和機(jī)械性能均符合材料性能標(biāo)準(zhǔn)要求。

結(jié)合斷口觀察結(jié)果與閥桿斷裂部位所處環(huán)境（介質(zhì)為催化劑，溫度為700 ℃）、檢修情況進(jìn)一步分析，導(dǎo)致閥桿發(fā)生脆性斷裂的原因是：催化劑大量堆積在閥腔內(nèi)，加上填料吹掃蒸汽凝結(jié)水注入，使斷裂閥桿部位的溫度降低，處于低溫潮濕環(huán)境（≤150 ℃），并與介質(zhì)中的硫化物和氯化物結(jié)合，形成奧氏體不銹鋼應(yīng)力腐蝕環(huán)境，導(dǎo)致閥桿產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕斷裂。沿晶解理與冰糖狀的斷口特征，裂紋尖端腐蝕產(chǎn)物中富含硫和氯，說明由硫化物和氯化物應(yīng)力腐蝕引起的應(yīng)力腐蝕脆斷可能性最大?？紤]到起始裂紋尖端含有硫和氯，而分析的另一條裂紋尖端只含有硫以及沿晶開裂的特征，分析認(rèn)為本次閥桿斷裂的主要原因是連多硫酸應(yīng)力腐蝕開裂，而氯離子加快了腐蝕開裂的速度。

另外，引起催化劑堆積在滑閥頸部的原因可能是填料吹掃蒸汽和導(dǎo)軌吹掃蒸汽量過小所致。

3 結(jié)束語

催化裝置再生滑閥閥桿斷裂的主要原因是催化劑大量堆積在滑閥頸部閥腔內(nèi)，加上填料吹掃蒸汽凝結(jié)水注入，使斷裂閥桿部位的溫度降低，處于低溫潮濕環(huán)境（≤150 ℃），并與介質(zhì)中的SO2、SO3等硫化物結(jié)合，形成連多硫酸應(yīng)力腐蝕環(huán)境，導(dǎo)致奧氏體不銹鋼閥桿產(chǎn)生連多硫酸應(yīng)力腐蝕而斷裂，氯離子的存在加快了腐蝕開裂的速度。引起催化劑堆積在滑閥頸部閥腔的原因應(yīng)是填料吹掃蒸汽和導(dǎo)軌吹掃蒸汽量過小所致。

因此，建議優(yōu)化閥桿選材，選用更耐高溫和耐腐蝕的CH180 材料。同時(shí)，檢查填料吹掃蒸汽和導(dǎo)軌吹掃蒸汽的閥門和限流孔板是否堵塞，在允許的范圍內(nèi)，加大吹掃蒸汽量。