MTO 裝置甲醇轉(zhuǎn)化反應(yīng)器頂封頭裂紋故障分析

秦春秋,王家純

(中國(guó)石化中原石油化工有限責(zé)任公司,河南 濮陽 457001)

某公司MTO 裝置反應(yīng)再生系統(tǒng)采用循環(huán)流化床反應(yīng)再生技術(shù)。反應(yīng)器系統(tǒng)由反應(yīng)器下部的快速流化床、上部的沉降床以及輔助的循環(huán)斜管和外取熱器系統(tǒng)等組成。甲醇轉(zhuǎn)化反應(yīng)器C1101是反應(yīng)器系統(tǒng)的核心設(shè)備,其下部快速流化床完成MTO 反應(yīng),上部沉降床為湍動(dòng)流化床,實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品氣和催化劑的分離。

C1101反應(yīng)器設(shè)計(jì)溫度520 ℃,工作溫度480 ℃,設(shè)計(jì)壓力0.35 MPa(表),工作壓力0.15 MPa(表);總高46 500 mm,沉降床直徑8 200 mm。反應(yīng)器采用熱壁設(shè)計(jì),材質(zhì)為347H 奧氏體不銹鋼,內(nèi)器壁焊接龜甲網(wǎng),澆注25 mm 的耐磨層,外器壁采用200 mm 厚硅酸鋁棉隔熱保溫,屬于第二類壓力容器。

2017年9月巡檢發(fā)現(xiàn),反應(yīng)器頂封頭保溫鋁外皮呈燒焦?fàn)詈谏?拆除保溫層后可觀測(cè)到封頭環(huán)焊縫熔合線處有一長(zhǎng)度約為250 mm、寬度為1～2 mm 的貫穿性裂紋(1號(hào)裂紋)。2018年5月MTO 裝置停車大檢修期間,對(duì)反應(yīng)器進(jìn)行全面檢驗(yàn)時(shí),在1 號(hào)裂紋附近又發(fā)現(xiàn)1 條長(zhǎng)度約為300 mm、深度為18～20 mm 的裂紋(2號(hào)裂紋)。為確保反應(yīng)器安全運(yùn)行,公司委托專業(yè)檢驗(yàn)單位對(duì)2 號(hào)裂紋取樣進(jìn)行了失效機(jī)理分析。

1 裂紋產(chǎn)生機(jī)理分析

1.1 裂紋宏觀分析

1號(hào)和2號(hào)裂紋均位于反應(yīng)器頂部橢球形封頭西側(cè)球殼H0環(huán)焊縫處,相距不到300 mm,如圖1所示。H0 環(huán)焊縫位于集氣室內(nèi),距集氣室立板角焊縫約100 mm。兩裂紋均位于焊縫的熔合線附近,2號(hào)裂紋樣品實(shí)際檢測(cè)長(zhǎng)度330 mm,自內(nèi)向外,最大深度23 mm,未形成穿透性裂紋(見圖2);開裂部位內(nèi)壁焊縫成形不良,局部存在明顯的錯(cuò)邊(2～3 mm)。1號(hào)裂紋和2號(hào)裂紋位置相距很近,均啟裂于焊縫熔合線附近,裂紋開裂均呈單向延伸,目測(cè)無分支裂紋,基本可以認(rèn)為兩裂紋開裂機(jī)理和過程大致相同。

圖1 頂封頭焊接排板

圖2 2號(hào)裂紋外觀

1.2 運(yùn)行環(huán)境分析

該反應(yīng)器2011年10月投產(chǎn)使用,至裂紋故障產(chǎn)生時(shí)運(yùn)行近7年。期間停車檢修4次,分別為投運(yùn)后第2年、第3年、第5年和第7年。其中第3年對(duì)該反應(yīng)器進(jìn)行了壓力容器的全面檢驗(yàn),沒有檢驗(yàn)出缺陷,安全等級(jí)為一級(jí)。

反應(yīng)器頂部橢球形封頭處內(nèi)部操作壓力0.15 MPa(表),操作溫度480℃,介質(zhì)為攜帶少量固體催化劑的產(chǎn)品氣,集氣室內(nèi)產(chǎn)品氣有一定的流速,但H0環(huán)焊縫處于產(chǎn)品氣流經(jīng)路線的滯留區(qū)中,流速較小。封頭內(nèi)球殼壁布置有龜甲網(wǎng)耐磨襯里,厚度25 mm。從使用情況來看,封頭內(nèi)球殼壁襯里狀態(tài)完好,無損壞。反應(yīng)器封頭球殼外壁設(shè)有400 mm 厚的硅酸鋁棉保溫層,蒙皮是0.7 mm保護(hù)鋁皮。在裂紋產(chǎn)生位置,鋁皮保護(hù)層片間密封不嚴(yán),有變形、張口和翹曲。反應(yīng)器頂部操作平臺(tái)由工字不銹鋼支腿支撐,座落在橢球形封頭上,支腿和保護(hù)層鋁皮間有縫隙,無密封措施。

頂封頭殼體是受力狀況最為復(fù)雜的反應(yīng)器承壓部件。在反應(yīng)器運(yùn)行期間,頂部球殼既受到內(nèi)壓和高溫下溫差應(yīng)力的作用,又受到和集氣室相連的一級(jí)、二級(jí)旋風(fēng)分離器及其料腿、翼閥重力的作用,同時(shí)還受到頂部產(chǎn)品氣管線附加應(yīng)力的影響;停車時(shí),反應(yīng)器內(nèi)、外部狀況等同于大氣環(huán)境,封頭球殼僅受到和集氣室相連的一級(jí)、二級(jí)旋風(fēng)分離器及其料腿、翼閥重力的作用。

產(chǎn)品氣的組成如表1所示。

表1 反應(yīng)器出口產(chǎn)品氣組分

一般情況下,由于反應(yīng)器內(nèi)壁耐磨襯里的阻擋作用,工藝介質(zhì)產(chǎn)品氣和347H 不銹鋼金屬器壁并不直接接觸,因此高溫產(chǎn)品氣的特性對(duì)347H 影響很小。即使出現(xiàn)龜甲網(wǎng)和襯里料分離的情況,導(dǎo)致產(chǎn)品氣和器壁直接接觸,對(duì)不銹鋼器壁的影響也是有限的。從表1可以看出:產(chǎn)品氣組分主要是C6以下有機(jī)氣體,不會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕;能產(chǎn)生氫腐蝕的氫含量少,根據(jù)納爾遜曲線及1Cr19Ni11Nb的當(dāng)量鉻-鉬含量可知,在氫分壓0.018 MPa、溫度480 ℃以下,347H 奧氏體不銹鋼是不會(huì)發(fā)生高溫氫腐蝕和氫脆的。

1.3 反應(yīng)器封頭應(yīng)力分析論證

設(shè)計(jì)單位對(duì)反應(yīng)器頂部橢球形封頭應(yīng)力分布進(jìn)行了設(shè)計(jì)溫度下的計(jì)算機(jī)模擬應(yīng)力分析,指出熱應(yīng)力是在有溫差存在的條件下產(chǎn)生的。而甲醇轉(zhuǎn)化反應(yīng)器是熱壁設(shè)計(jì),溫差很小。按照最大溫差50℃進(jìn)行了封頭應(yīng)力分析,膜＋彎應(yīng)力分布如圖3所示。

圖3 封頭整體模型在內(nèi)壓和溫度載荷作用下的 膜+彎應(yīng)力分布云圖

由圖3可以看出:封頭整體模型在內(nèi)壓和溫度載荷作用下,應(yīng)力值較高處位于出口管線開口處與封頭和筒體的相交處,從幾何形狀來看,曲率較大的部位應(yīng)力水平較高。經(jīng)過論證,設(shè)計(jì)溫度520℃、溫差50℃時(shí),封頭受到的膜＋彎應(yīng)力值和限定值相差較遠(yuǎn),設(shè)計(jì)裕量較大,運(yùn)行是安全的。

由圖3還可以看出,在裂紋發(fā)生的焊道圓周上,應(yīng)力水平最低,設(shè)計(jì)時(shí)將橢球形封頭球殼組對(duì)H0焊縫置于此處,有效避免了因設(shè)計(jì)應(yīng)力和焊接應(yīng)力疊加而可能產(chǎn)生的局部應(yīng)力峰值,也有助于吸收中心開孔處與封頭和筒體處應(yīng)力產(chǎn)生的應(yīng)變。

1.4 2號(hào)裂紋樣品檢驗(yàn)

1.4.1 器壁材質(zhì)化學(xué)成分

2號(hào)裂紋取樣焊縫和母材化學(xué)成分分析結(jié)果見表2。從表2可以看出,封頭母材化學(xué)成分滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求,焊縫金屬的磷含量略偏高。

表2 取樣部位化學(xué)成分分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) %

1.4.2 鐵素體含量測(cè)定

鐵素體測(cè)定結(jié)果見表3。從表3可以看出,母材和焊材鐵素體含量正常,無明顯冷作硬化現(xiàn)象。

表3 鐵素體測(cè)定結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) %

1.4.3 樣品硬度測(cè)試

硬度測(cè)試部位及結(jié)果見圖4。從圖4可以看出,焊縫金屬硬度偏高,最高達(dá)288.4 HV,母材和焊縫熱影響區(qū)硬度基本正常。

圖4 硬度測(cè)試部位及結(jié)果

1.4.4 金相分析

裂紋截面見圖5。裂紋啟裂部位見圖6(a)～圖6(b)。

圖5 裂紋截面

由圖5和圖6可見,裂紋由焊縫下部母材的熔合線處啟裂,沿焊縫熔合線或熱影響區(qū)擴(kuò)展,呈 典型的沿晶開裂特征。裂紋深度約12.5 mm。

圖6 裂紋啟裂部位

圖7 為電子金相試樣及裂紋微觀形貌。由圖7 可見,裂紋內(nèi)充滿腐蝕產(chǎn)物。

圖7 金相試樣及裂紋微觀形貌(電子)

對(duì)焊縫金屬,上、下焊縫熱影響區(qū)及母材進(jìn)行金相組織觀測(cè)發(fā)現(xiàn),焊縫金屬為奧氏體＋δ鐵素體,焊縫熱影響區(qū)及母材均有嚴(yán)重的碳化物析出現(xiàn)象,如圖8所示。

圖8 金相試樣

1.4.5 斷口分析

取250 mm 長(zhǎng)裂紋打開進(jìn)行斷口分析,見圖9 和圖10。

圖9 斷口打開部位及形貌

圖10 斷口Ⅰ局部宏觀形貌

由圖9可見,斷口上存在從內(nèi)壁啟裂呈半橢圓形的陳舊性斷面,裂紋未穿透壁厚,最深部位約為25 mm,距外壁僅約1 mm。通過對(duì)斷口Ⅰ側(cè)面進(jìn)行檢查,分析裂紋宏觀擴(kuò)展路徑,發(fā)現(xiàn)“A”區(qū)域斷裂基本沿焊縫熱影響區(qū)擴(kuò)展,“B”區(qū)域則在焊縫內(nèi)外坡口交界處進(jìn)入焊縫金屬,見圖10。

將斷口Ⅰ進(jìn)行清洗后進(jìn)行微觀觀測(cè),見圖11。由于斷口在高溫環(huán)境下長(zhǎng)時(shí)間停留,導(dǎo)致斷口表面形成致密且附著力強(qiáng)的氧化腐蝕產(chǎn)物,使得斷口原始形貌被掩蓋,但基本可以判斷出斷口主要具有沿晶斷裂特征。

圖11 端口微觀形貌

1.4.6 X射線能譜分析

用X 射線能譜儀對(duì)斷口焊縫金相進(jìn)行能譜分析,結(jié)果顯示:斷口表面的腐蝕產(chǎn)物主要為氧化物;焊縫熱影響區(qū)和母材均有較嚴(yán)重的碳化物析出現(xiàn)象。其中,斷口表面和裂紋間隙的腐蝕性元素主要為氧,焊縫熱影響區(qū)晶界上有大量碳化鈮析出,且存在含鈮金屬間脆性相。

2 綜合分析

從2號(hào)裂紋樣品檢驗(yàn)結(jié)論可知:焊縫金屬的硬度偏高;熱影響區(qū)和母材的硬度基本正常;裂紋從內(nèi)壁啟裂呈半橢圓形,沿焊縫的熔合線和熱影響區(qū)擴(kuò)展,斷口具有典型沿晶斷裂特征;斷口表面和裂紋縫隙附著腐蝕產(chǎn)物,腐蝕性元素主要為氧,焊縫熱影響區(qū)晶界上有大量碳化鈮析出,且存在含鈮金屬間脆性相。

300系列奧氏體不銹鋼的大量斷裂研究表明,高溫下焊接裂紋發(fā)生沿晶斷裂的情況有兩種,一種是熱裂紋和再熱裂紋,另一種是厚度＞25 mm奧氏體不銹鋼在長(zhǎng)期高溫(450～650 ℃)工況下運(yùn)行產(chǎn)生的應(yīng)力松弛裂紋。熱裂紋是在焊接冶金過程中由于焊縫金屬收縮而產(chǎn)生的,可能存在于焊縫金屬的表面,也可能存在于焊縫金屬的內(nèi)部;再熱裂紋是焊縫在進(jìn)行穩(wěn)定化或固溶熱處理時(shí),由于冷卻過程中溫度控制不好而產(chǎn)生的。

本案例中,反應(yīng)器在焊后并未進(jìn)行焊后穩(wěn)定化處理或固溶處理,因此不會(huì)產(chǎn)生再熱裂紋。但由于347 H 的碳含量較高,所以存在產(chǎn)生熱裂紋的可能性。在反應(yīng)器頂封頭裂紋分析和修復(fù)過程中,專門對(duì)封頭H0環(huán)縫原始RT(射線檢測(cè))底片進(jìn)行了復(fù)查,同時(shí)還對(duì)H0環(huán)焊縫和其他一些存在應(yīng)力集中部位的焊縫進(jìn)行了RT 檢驗(yàn)。復(fù)查和檢驗(yàn)沒有發(fā)現(xiàn)超標(biāo)缺陷。由此可以基本判定,制造焊接質(zhì)量是合格的,由于熱裂紋擴(kuò)展而導(dǎo)致2號(hào)裂紋形成的推斷不成立。

而由于應(yīng)力松弛造成2號(hào)裂紋形成與擴(kuò)展的可能性極大。一是因?yàn)樵摲磻?yīng)器屬于熱壁設(shè)計(jì)反應(yīng)器,設(shè)計(jì)溫度520 ℃、操作溫度480 ℃、操作壓力0.15 MPa(表),處于奧氏體不銹鋼高溫蠕變范圍之內(nèi);二是該反應(yīng)器已連續(xù)運(yùn)行6年以上,運(yùn)行時(shí)間較長(zhǎng);三是2號(hào)裂紋處封頭組對(duì)存在較大錯(cuò)邊(2～3 mm),焊縫焊接后未進(jìn)行消除應(yīng)力的穩(wěn)定化處理,且焊縫金屬磷含量略高于標(biāo)準(zhǔn)要求,硬度亦高于正常值,存在組對(duì)焊接應(yīng)力;四是從焊縫金屬和熱影響區(qū)的金相組織結(jié)構(gòu)、斷口分析、X 射線能譜分析可以看出,熱影響區(qū)和母材晶界有嚴(yán)重碳化物析出,裂紋呈典型的沿晶開裂特征。說明在高溫工況條件長(zhǎng)期運(yùn)行后,析出的碳化物在晶界形成了連續(xù)的脆性相,導(dǎo)致晶界強(qiáng)度大幅削弱,從而導(dǎo)致持久強(qiáng)度的明顯下降,加速了蠕變空洞的沿晶形成【1】。

盡管高溫蠕變會(huì)造成應(yīng)力松弛,但347 H 奧氏體不銹鋼的高溫強(qiáng)度還是很優(yōu)異的。而產(chǎn)生蠕變空洞或裂紋的前提條件是裂紋處的應(yīng)力或瞬時(shí)應(yīng)力大于該處長(zhǎng)期高溫運(yùn)行后的材料屈服極限。從反應(yīng)器頂部封頭開裂環(huán)焊縫,封頭和筒體對(duì)接焊縫,下部錐體、裝卸孔應(yīng)力集中處焊縫的PT(滲透檢測(cè))和RT 情況來看,普遍沒有發(fā)現(xiàn)其他較深裂紋或埋藏裂紋,且封頭裂紋環(huán)焊縫處設(shè)計(jì)條件下膜＋彎應(yīng)力水平也是比較低的,因此,裂紋在此處產(chǎn)生,除了組對(duì)焊接應(yīng)力和長(zhǎng)期高溫運(yùn)行造成應(yīng)力松弛外,一定還存在其他原因。

從應(yīng)力的構(gòu)成來看,主要有反應(yīng)器內(nèi)壓產(chǎn)生的應(yīng)力和器壁內(nèi)外溫差產(chǎn)生的應(yīng)力。反應(yīng)器是按薄壁容器進(jìn)行設(shè)計(jì)的,在內(nèi)壓作用下,內(nèi)、外壁應(yīng)力差別應(yīng)不大。從圖3可以看出,在裂紋發(fā)生的焊道圓周上,應(yīng)力水平最低。因此由于工況和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)造成應(yīng)力集中的可能性極低。值得懷疑的就是溫差應(yīng)力。圖3是在溫差50 ℃的條件下得出的,是滿足安全使用要求的。但是從封頭外部保溫的實(shí)際情況可以看出:頂封頭保溫鋁質(zhì)蒙皮為條梯形、呈輻射狀分布,裂紋產(chǎn)生部位附近的鋁蒙皮有明顯損傷變形,且搭接處張口較大;頂部平臺(tái)的立柱支撐處,蒙皮與立柱間沒有密封措施;同時(shí),頂封頭處于整個(gè)反再區(qū)平臺(tái)的最高處,無任何風(fēng)雨阻擋措施,在有瞬時(shí)疾風(fēng)暴雨侵襲時(shí),該處必然會(huì)灌進(jìn)雨水。由于硅酸鋁保溫棉吸水性強(qiáng),被浸濕的保溫棉必然會(huì)猛烈降低橢球形球殼裂紋附近的外壁溫度,而過低的外球殼壁溫度和極高的內(nèi)球殼壁溫度必然會(huì)造成短期較大的溫差應(yīng)力。由于該處應(yīng)力水平最低,在短期高溫差應(yīng)力和長(zhǎng)期高溫蠕變效應(yīng)作用下,會(huì)造成裂紋處器壁失穩(wěn),向內(nèi)部鼓出,使得該處峰值應(yīng)力接近甚至高于高溫蠕變極限,從而使該部位內(nèi)壁萌生出裂紋。裂紋的產(chǎn)生加劇了局部應(yīng)力集中程度,導(dǎo)致裂紋不斷擴(kuò)展,最終貫穿整個(gè)橢球形封頭焊縫器壁,形成泄漏。

3 結(jié)語

1)1號(hào)和2號(hào)裂紋均是從橢球形封頭H0環(huán)焊縫內(nèi)壁母材熔合線位置啟裂,并沿焊縫熔合線或熱影響區(qū)擴(kuò)展,呈現(xiàn)出典型的沿晶開裂特征。2號(hào)裂紋的金相試樣和斷口微觀圖樣證實(shí)了裂紋的沿晶開裂特征。

2)裂紋焊縫熱影響區(qū)及母材均有嚴(yán)重的碳化物析出現(xiàn)象,析出的碳化物在晶界形成了連續(xù)的脆性相,導(dǎo)致晶界強(qiáng)度大幅削弱,從而導(dǎo)致持久強(qiáng)度的明顯下降,加速了蠕變空洞的沿晶形成。

3)347H 奧氏體不銹鋼的焊接特性和高溫特性是焊縫裂紋產(chǎn)生的內(nèi)在原因。該型不銹鋼在焊接時(shí)有熱裂紋和再熱裂紋傾向,會(huì)在焊縫金屬和熱影響區(qū)產(chǎn)生較大的收縮應(yīng)力,而本文所述反應(yīng)器焊接后并未進(jìn)行穩(wěn)定化或固溶熱處理,因此焊縫中的焊接應(yīng)力水平應(yīng)處于較高狀態(tài)。另一方面,該型不銹鋼在480 ℃高溫下長(zhǎng)期運(yùn)行后會(huì)發(fā)生高溫蠕變,屈服極限逐漸降低,降低了材料抵抗應(yīng)力集中的能力。

4)反應(yīng)器內(nèi)壓和內(nèi)外壁正常溫差在H0 環(huán)焊縫處產(chǎn)生的膜＋彎應(yīng)力水平很低,加上制造缺陷產(chǎn)生的應(yīng)力(如裂紋處球殼板對(duì)接焊縫錯(cuò)邊量較大產(chǎn)生的組對(duì)應(yīng)力、347 H 不銹鋼板焊接殘余應(yīng)力以及其他附加應(yīng)力)并不比反應(yīng)器其他部位(如封頭和筒體對(duì)接焊縫處、筒體中部錐體筒節(jié)焊縫處)高,因此裂紋焊縫處正常應(yīng)力狀態(tài)不太可能產(chǎn)生過大的應(yīng)力集中。

5)橢球形封頭的保溫缺陷是焊縫裂紋產(chǎn)生的誘因。暴雨侵襲時(shí),保溫蒙皮開裂部位會(huì)瞬時(shí)灌進(jìn)大量雨水,而硅酸鋁保溫棉吸水性強(qiáng),必然會(huì)猛烈降低橢球形球殼裂紋附近的外壁溫度,使得該處短期產(chǎn)生較大的溫差應(yīng)力。由于該處應(yīng)力水平最低,在短期高溫差應(yīng)力和長(zhǎng)期高溫蠕變效應(yīng)作用下,會(huì)造成裂紋處器壁失穩(wěn),向內(nèi)部鼓出,導(dǎo)致該部位內(nèi)壁萌生出裂紋,進(jìn)而造成裂紋處應(yīng)力集中。隨著峰值應(yīng)力不斷接近高溫蠕變極限,裂紋不斷擴(kuò)展,最終貫穿整個(gè)橢球形封頭焊縫器壁,形成泄漏。