焦化裝置分餾塔進料段塔壁開裂原因分析

＊陳 俊

（中海石油舟山石化有限公司 浙江 316015）

某公司焦化單元分餾塔頂循壁板在生產(chǎn)期間出現(xiàn)腐蝕穿孔，大修期間對該段筒節(jié)進行更換，更換完成后按照設(shè)計要求進行水壓試驗，試驗壓力0.8MPa，試壓至0.5MPa時，分餾塔油氣進料分布器附件塔壁開裂。開裂部位在塔底部上方約10m處，此處操作溫度為420℃，如果在生產(chǎn)期間開裂，無疑將帶來火災(zāi)、爆炸等不可接受的后果，同時分餾塔塔壁開裂是否對塔體強度產(chǎn)生影響，該分餾塔是否還具有修復(fù)價值，是否能滿足安全生產(chǎn)的要求，都需要我們對開裂的原因進行分析，從而采取下一步措施。

1.分餾塔基本情況

分餾塔是焦化裝置的重要設(shè)備之一，作用是將焦炭塔頂過來的油氣進行分餾，獲得焦化干氣、汽油、柴油、蠟油、重蠟油產(chǎn)品。該塔塔高67m，下部塔體直徑6m，上部塔體直徑5.2m，塔內(nèi)介質(zhì)為油氣，設(shè)計壓力0.43MPa，操作壓力0.25MPa，頂部操作溫度180℃，底部操作溫度420℃，塔體材料為16MnR+0Cr13Al（δ=24mm+3mm）（δ=20mm+3mm）（δ=18mm+3mm）三種規(guī)格的復(fù)合鋼板。設(shè)計圖紙規(guī)定的無損檢測要求為：無損檢測的比例為20%，要求單條焊縫的檢查最少比例20%，焊縫接頭系數(shù)為0.85，制造完成后按照設(shè)計要求完成水壓試驗，水壓試驗壓力0.8MPa，水壓試驗合格并有記錄。

2.分餾塔檢修情況

因運行期間分餾塔頂循集油箱塔壁腐蝕穿孔泄漏，利用大修機會對分餾塔頂循集油箱筒節(jié)進行更換。分餾塔筒節(jié)更換完成后，焊縫檢測合格，按設(shè)計要求分餾塔水壓試驗壓力為0.8MPa（G）。

上水期間施工單位及相關(guān)設(shè)備人員持續(xù)觀測塔基礎(chǔ)的沉降情況，未發(fā)現(xiàn)異常；分餾塔頂放空冒水，上水結(jié)束，上水約1700m3；施工單位用打壓泵對分餾塔進行升壓，升壓速度0.1MPa/min，塔壓每上升0.1MPa，保壓檢查各密封點、塔體焊縫、接管等部位是否有泄漏，正常后繼續(xù)升壓；分餾塔塔頂壓力升壓至0.5MPa，確認(rèn)壓力無誤后，準(zhǔn)備再次升壓時，分餾塔原料上進料分布器附近塔體從焊縫處裂開，塔內(nèi)1700m3水瞬間下泄。經(jīng)過后續(xù)現(xiàn)場查看縱向裂紋長度約6m，橫向裂紋寬度約2m，塔內(nèi)構(gòu)件塌陷。

3.開裂原因分析

(1)塔壁開裂處情況檢查

分餾塔開裂部位如圖1所示，A33整條縱焊縫破裂并帶動上下兩塊壁板受損開裂，裂紋長度約6m，上下壁板裂紋尾端橫向開裂，裂紋寬度約2m，上壁板B31橫向焊縫處，也出現(xiàn)裂紋。開裂處內(nèi)部襯板檢查完好，無鼓包、腐蝕孔洞等缺陷。從現(xiàn)場（圖1現(xiàn)場照片）來看，整條縱焊縫全部裂開，裂紋從縱焊縫向上下兩塊壁板延伸，應(yīng)該是縱焊縫先出現(xiàn)裂紋后，內(nèi)部大量水壓從裂紋處突破，導(dǎo)致分餾塔塔壁撕裂。

圖1 開裂部位示意圖及現(xiàn)場照片

(2)開裂處工藝條件

斷裂處為分餾塔原料上進料分布器附近，正常生產(chǎn)時，介質(zhì)為焦炭塔過來的油氣，溫度約420℃，從制造完成投用至開裂已運行14年，該處是否存在塔體母材16MnR高溫蠕變需要進一步分析驗證。頂部試壓至0.5MPa時，加上液柱壓力的附加值，裂開處此時承受的壓力為0.9MPa。

(3)對塔開裂處焊縫及壁板進行采樣分析

為了對分餾塔開裂原因進一步分析，我們對焊縫及附近塔壁壁板采樣進行了宏觀檢查、金相檢驗、力學(xué)性能試驗，采樣位置見圖2。

圖2 分餾塔壁板采樣示意圖

①對塔壁開裂處采樣進行宏觀觀察（圖3）：樣板1斷面內(nèi)外壁均存在剪切唇，對試樣1相對焊縫軸線垂直的截面拋光腐蝕后，可以觀察到基層焊縫由三層焊道組成，中間焊道厚度約10mm，且焊縫截面存在一處氣孔（見樣板1數(shù)碼放大）；樣板2在主斷面邊緣還存在一條裂紋，該裂紋從內(nèi)壁起裂，向外壁延伸，整體成直線，無明顯分支（見樣板2數(shù)碼放大）。

圖3 宏觀觀察

②在20℃環(huán)境溫度下，對進行金相分析的試樣進行拋光，經(jīng)過4%硝酸酒精腐蝕后，在蔡司Axio Vert.A1金相顯微鏡下顯示試樣的金相組織。

對壁板母材截面進行金相微觀觀察（圖4），組織為鐵素體+珠光體+少量碳化物，其中部分碳化物沿晶分布，珠光體呈帶狀分布，有輕微球化現(xiàn)象。

圖4 母材截面

壁板焊縫橫截面相關(guān)金相圖（圖5），可以看出基層焊縫中心組織為先共析鐵素體沿晶界析出，晶內(nèi)為針狀鐵素體和少量珠光體，層間組織為鐵素體和珠光體，覆層焊縫組織為奧氏體+少量鐵素體和碳化物，覆層熱影響區(qū)組織為鐵素體和沿晶界析出的低碳馬氏體。

圖5 焊縫橫截面

圖6為壁板主斷面相關(guān)金相圖，從中可以看出主斷面邊緣分支裂紋，從內(nèi)壁起裂，裂紋覆層側(cè)端部基材組織存在分支的沿晶裂紋，另一側(cè)覆層組織有較多的沿晶裂紋，熱影響區(qū)也發(fā)現(xiàn)沿晶開裂的現(xiàn)象，裂紋在母材中傳播主要以沿晶為主，裂紋底部存在塑性變形。

圖6 主斷面

從開裂的壁板處采取的5塊樣板（采樣位置見圖2）進行力學(xué)性能試驗分析，結(jié)果見表1。從試驗結(jié)果來看，幾塊試樣在0℃沖擊試驗，440℃溫度下進行拉伸試驗，180°彎曲試驗均合格，壁板材質(zhì)從力學(xué)性能來看在440℃的溫度下保持良好的力學(xué)性能。

表1 壁板試樣力學(xué)性能試驗

(4)綜合分析

通過上述的工藝條件、宏觀觀察、金相分析、材料力學(xué)性能試驗可知：

①從裂口分析來看，開裂處只有3層焊道，中間層10mm，對于厚度（24+3）mm的復(fù)合鋼板焊接，焊接時要采用大電流、高線能量才能滿足。而在復(fù)合鋼板焊接要求中，應(yīng)采用小電流、快速焊、小線性能量、多焊道的焊接工藝。顯然制造階段采用的焊接工藝偏離了焊接要求。

②塔體材質(zhì)為16MnR+0Cr13Al，屬于鐵素體-馬氏體系復(fù)合鋼板，覆層為鐵素體-馬氏體系不銹鋼，基層為珠光體鋼。此類復(fù)合鋼板在焊接時，基層與覆層分別進行，基層與覆層在化學(xué)成分、力學(xué)性能上存在較大的差異，屬于異種材料之間的焊接，而且基層與覆層所使用的焊接材料也存在較大差異，因此焊接時稀釋作用強烈，再加上當(dāng)時焊接時大電流、高熱量增大了沿晶微裂紋產(chǎn)生的傾向。根據(jù)金相分析，覆層熱影響區(qū)組織有沿晶界析出的低碳馬氏體組織，說明當(dāng)時焊接時存在急冷情況，導(dǎo)致脆硬的馬氏體組織沿晶界偏析，造成沿晶微裂紋的產(chǎn)生。而對主斷面的金相分析，也驗證了沿晶微裂紋的存在。

③沿晶微裂紋屬于微觀裂紋，只有在實驗室顯微分析才能被發(fā)現(xiàn)，正常射線拍片不能發(fā)現(xiàn)，因此，在定期檢驗過程中未能發(fā)現(xiàn)沿晶微裂紋的存在。而沿晶微裂紋在日常的溫度壓力交變等情況下，晶界間微裂紋連貫成線逐步擴展。

④根據(jù)采樣試塊拉伸、彎曲、沖擊試驗結(jié)果來看，母材在設(shè)計溫度（440℃）下機械性能保持良好，排除因高溫蠕變導(dǎo)致塔體焊縫開裂。

⑤由于分餾塔上、中、下部設(shè)計溫度差異很大，材料在不同溫度下許用應(yīng)力差異較大，如按照制造時的水壓試驗壓力進行試壓，無疑會對已經(jīng)使用14年整塔結(jié)構(gòu)造成不必要的傷害，因此水壓試驗是否需要按照原制造時的壓力進行需進行重新計算。

4.整改與預(yù)防措施

（1）為防止分餾塔焊縫繼續(xù)開裂影響塔體強度，對分餾塔塔體裂紋進行止裂加固及塔體整體加固。

（2）在保證安全的情況下，將損失降到最低，委托設(shè)計院按照對分餾塔開裂的三層筒節(jié)壁板更換方案進行設(shè)計核算，施工藍(lán)圖出來后，檢修施工單位按照設(shè)計藍(lán)圖進行施工。

（3）為了保證分餾塔能安全運行，對分餾塔所有焊縫進行100% RT檢測，并對有缺陷的焊縫進行修復(fù)。

（4）委托設(shè)計院根據(jù)實際情況重新對分餾塔水壓試驗壓力進行核算，施工完成后并按照設(shè)計要求進行水壓試驗。

（5）在生產(chǎn)運行期間，加強對分餾塔監(jiān)控，平穩(wěn)操作，在下一檢修周期對該分餾塔進行更換。

5.結(jié)論

通過對塔體開裂處焊縫及壁板進行檢測，結(jié)果說明分餾塔進料段焊縫開裂的主要原因是在建造階段未嚴(yán)格執(zhí)行焊接工藝要求，導(dǎo)致焊縫及熱影響區(qū)存在沿晶微裂紋，沿晶微裂紋在日常的溫度壓力交變等情況下，晶界間微裂紋連貫成線逐步擴展。而在檢修完成后，進行水壓試驗時該處承受的壓力為0.9MPa，分餾塔壁板焊縫沿晶微裂紋在該壓力下突然擴大，造成分餾塔進料段塔壁壁板沿焊縫撕裂。