乙烯裂解爐原料預(yù)熱管線焊接接頭開裂原因分析

劉凱敏 谷曉鵬 黃雪崧

（1.長(zhǎng)慶油田分公司a.物資供應(yīng)處；b.技術(shù)監(jiān)測(cè)中心；2.中國(guó)石油天然氣股份有限公司蘭州石化分公司）

乙烯裂解爐是整套乙烯裝置的核心設(shè)備，其生產(chǎn)能力和穩(wěn)定性直接決定了乙烯裝置的生產(chǎn)規(guī)模和產(chǎn)品質(zhì)量［1，2］。某石化公司裂解爐原料預(yù)熱管線在運(yùn)行過程中因一處焊接接頭發(fā)生開裂導(dǎo)致了介質(zhì)泄漏。筆者對(duì)原料預(yù)熱管線裂紋部位進(jìn)行宏觀檢查、光譜分析、力學(xué)性能分析、金相分析、掃描電鏡（SEM）及能譜分析（EDS），以分析原料預(yù)熱管線焊接接頭開裂的原因。

1 運(yùn)行工況介紹

某乙烯裝置裂解爐原料預(yù)熱管線于2020 年投入使用，運(yùn)行后每月按計(jì)劃燒焦一次，每次燒焦約30 h。2022 年12 月，該管線在運(yùn)行過程中發(fā)生了介質(zhì)泄漏，停車檢修發(fā)現(xiàn)泄漏部位位于東側(cè)預(yù)熱管線入口附近的一處焊接接頭部位，該部位出現(xiàn)了一條環(huán)向裂紋，該處采用P11/TP310 異種鋼焊接連接，爐體側(cè)為A335 P11 管 （φ219.1 mm×8.18 mm），另一側(cè)為A312 TP310 管（φ219.1 mm×8.18 mm）。原料預(yù)熱管線詳細(xì)參數(shù)如下：

設(shè)計(jì)壓力 0.50 MPa

運(yùn)行壓力 0.42 MPa

設(shè)計(jì)溫度 448 ℃

運(yùn)行溫度 420 ℃

介質(zhì) C2H4、CH4、C4H6、C6H6、C7H9、硫化物等

管道材質(zhì) P11、TP310

2 試驗(yàn)檢測(cè)與分析

2.1 宏觀檢查

失效管段宏觀形貌如圖1 所示。由圖1a、b可見管段外壁呈紅褐色銹蝕狀，P11 管側(cè)焊趾處存在一條長(zhǎng)約140 mm 的裂紋，該裂紋沿焊趾周向擴(kuò)展，其周圍存在褐色腐蝕產(chǎn)物，焊縫表面呈魚鱗紋狀；由圖1c、d 可見裂紋區(qū)內(nèi)壁打底層焊縫表面存在大小不一的腐蝕凹坑，未開裂區(qū)域內(nèi)壁焊縫呈魚鱗狀，表面無明顯的腐蝕，P11 管段內(nèi)壁整體呈黑色，局部存在氧化皮。

圖1 失效管段宏觀形貌

2.2 化學(xué)成分分析

失效管段的母材及焊縫化學(xué)成分分析結(jié)果列于表1。管段兩側(cè)母材的化學(xué)成分分別符合ASME SA-335/SA-335M、ASME SA-312/SA-312M對(duì)P11 和TP310 材料的要求；焊縫的化學(xué)成分則不符合ASME SFA-5.14/SFA-5.14M 對(duì)ERNiCr-3焊絲的要求，其中Fe 元素含量略高于標(biāo)準(zhǔn)要求，Nb+Ta 元素含量略低于標(biāo)準(zhǔn)要求，其他元素含量符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

表1 化學(xué)成分分析結(jié)果 wt%

采用鐵素體測(cè)定儀進(jìn)行焊縫鐵素體含量測(cè)定，結(jié)果顯示鐵素體含量為0.15%～0.24%。

2.3 力學(xué)性能分析

失效管段P11 母材室溫拉伸試驗(yàn)結(jié)果見表2，P11 管的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率均符合ASME SA-335/SA-335M 對(duì)P11 材料的要求。

表2 室溫拉伸試驗(yàn)結(jié)果

失效管段P11 管母材室溫沖擊試驗(yàn)結(jié)果見表3，P11 管母材的沖擊功為64～95 J。

表3 室溫沖擊試驗(yàn)結(jié)果

焊接接頭維氏硬度測(cè)試結(jié)果見表4，可以看出，焊縫的維氏硬度與TP310 管側(cè)熱影響區(qū)的硬度接近；P11 管側(cè)熱影響區(qū)的硬度較高；P11 管母材的硬度在整個(gè)焊接接頭中最低。

表4 維氏硬度（HV）分析結(jié)果

2.4 金相組織分析

裂紋尖端軸向截面金相組織及其形貌如圖2所示。由圖2a～d 可以看出，裂紋啟裂于P11 管側(cè)焊根處，沿熔合線由內(nèi)壁向外壁擴(kuò)展，焊縫背面余高2.4 mm，焊根部位存在明顯的尖角形貌；由圖2e 可以看出，P11 管側(cè)熱影響區(qū)組織為貝氏體；P11 管母材組織為鐵素體+珠光體（圖2f）；焊縫和TP310 管母材金相組織均為奧氏體（圖2g、h）。

圖2 裂紋尖端軸向截面金相組織及形貌

外表面焊接接頭處未開裂部位軸向截面金相組織及其形貌如圖3 所示。該處焊縫背面余高3.6 mm，此外在P11 管側(cè)焊根附近內(nèi)表面呈灰色，存在明顯的腐蝕。

圖3 外表面焊接接頭處未開裂部位軸向截面形貌及金相組織

2.5 掃描電鏡及能譜分析

2.5.1 掃描電鏡電子金相分析

裂紋尖端金相組織掃描電鏡形貌如圖4 所示。裂紋寬度由內(nèi)壁向外壁逐漸變小，由此說明裂紋啟裂于P11 管側(cè)的焊根處，并沿熔合線由內(nèi)壁向外壁擴(kuò)展。

圖4 裂紋掃描電鏡形貌

管段外表面焊接接頭未開裂部位P11 管側(cè)焊根處金相組織掃描電鏡形貌如圖5 所示。P11管側(cè)的焊根處存在腐蝕現(xiàn)象，同時(shí)可見一條由焊根處啟裂沿熔合線擴(kuò)展的微裂紋。

圖5 管段外表面焊接接頭未開裂部位P11管側(cè)焊根處掃描電鏡形貌

2.5.2 宏觀斷口與掃描電鏡微觀斷口分析

宏觀斷口宏觀形貌如圖6 所示。斷口表面凹凸不平，呈熔滴狀形貌，覆蓋有一層黑灰色垢物，斷口無明顯塑性變形，呈脆性斷裂的特點(diǎn)。

圖6 宏觀斷口形貌

清洗后的斷口掃描電鏡形貌如圖7 所示。斷口表面均呈沿晶斷裂特征，為典型的脆性斷裂形貌。

圖7 清洗后的斷口形貌

2.5.3 能譜分析

對(duì)斷口、內(nèi)壁表面垢物和微裂紋內(nèi)腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行能譜分析，分析結(jié)果見表5。由分析結(jié)果可知，斷口表面的垢物主要以鐵的氧化物形式存在，垢物中還含有Na、Al、K、Ca 等雜質(zhì)元素；內(nèi)壁表面的垢物主要是含鐵的氧化物，同時(shí)含有大量的S 元素，并且存在Na、Al、K、Ca 等雜質(zhì)元素；微裂紋內(nèi)的腐蝕產(chǎn)物以鐵的氧化物為主，其中還含有大量具有腐蝕性的S 元素。

表5 能譜分析結(jié)果 wt%

3 分析與討論

失效管段的P11 管母材化學(xué)成分、拉伸性能、沖擊性能均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，TP310 管母材化學(xué)成分滿足標(biāo)準(zhǔn)要求；P11 管側(cè)熱影響區(qū)組織為貝氏體，導(dǎo)致其硬度比焊縫及母材高。

失效管段采用P11/TP310 異種鋼焊接連接，開裂部位位于P11 管側(cè)的熔合線處。P11 屬于低合金鋼，TP310 為不銹鋼，P11 材料在20～450 ℃溫度范圍內(nèi)的平均熱膨脹系數(shù)為14.1×10-6℃-1，TP310 材料在20～450 ℃溫度范圍內(nèi)的平均熱膨脹系數(shù)為17.0×10-6℃-1，不銹鋼熱膨脹系數(shù)大于低合金鋼，其導(dǎo)熱系數(shù)又小于低合金鋼。大量研究表明，造成異種鋼焊接接頭早期失效的主要原因是焊接過程中的碳擴(kuò)散以及由于線膨脹系數(shù)不一致所導(dǎo)致的熱應(yīng)力［3］。P11/TP310 異種 鋼焊接接頭在高溫運(yùn)行中、開停車過程中均會(huì)產(chǎn)生較大熱應(yīng)力。金相分析可見，焊縫與基體金屬交界處存在幾何結(jié)構(gòu)突變，焊根處形成了明顯的尖角，這種結(jié)構(gòu)極易產(chǎn)生應(yīng)力集中［4］。此外，熱膨脹系數(shù)的差異會(huì)導(dǎo)致焊縫兩側(cè)母材在開停車、運(yùn)行過程中的變形量不同，加之P11 管側(cè)熱影響區(qū)的硬度較高，兩側(cè)組織性能存在較大差異，導(dǎo)致P11管側(cè)熔合線處材料性能差。

綜上，P11 管側(cè)焊根處是整個(gè)焊接接頭的最薄弱部位。該裂解爐每月會(huì)向管線內(nèi)通入蒸汽和空氣，管線溫度降低后，蒸汽和空氣中的水蒸氣在管內(nèi)冷凝。能譜分析可見管段內(nèi)壁表面附著的垢物中存在大量S 元素，因此設(shè)備在冷備工況下，管內(nèi)形成了具有腐蝕性的濕硫化物環(huán)境。在腐蝕性介質(zhì)、焊接殘余應(yīng)力、熱應(yīng)力及工作應(yīng)力的共同作用下焊根處萌生裂紋，發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂。

針對(duì)預(yù)熱管線焊接接頭開裂原因，建議管段清焦后不立即使用時(shí)及時(shí)進(jìn)行干燥；盡量保證焊根處圓滑過渡；嚴(yán)格控制焊接質(zhì)量，避免熔合線存在焊接缺陷；優(yōu)化焊接工藝，在P11 管側(cè)堆焊鎳基隔離層并熱處理，然后進(jìn)行100%RT 檢測(cè)，合格后檢測(cè)硬度，再加工焊接坡口焊接TP310 管。

4 結(jié)論

4.1 焊縫的化學(xué)成分與焊材標(biāo)準(zhǔn)不符，不是發(fā)生本次失效的主要原因。

4.2 焊接工藝不當(dāng)，導(dǎo)致P11 母材與鎳基填充材料的結(jié)合力不足、焊接成型差，焊縫背面余高較大，使焊根處形成應(yīng)力集中，加之P11 母材與鎳基填充材料性能差異較大、該側(cè)熔合線硬度較高，導(dǎo)致熔合線處材料性能差。

4.3 乙烯裂解爐原料預(yù)熱管線異種鋼焊接接頭P11 側(cè)發(fā)生了硫化物應(yīng)力腐蝕開裂，裂紋啟裂于焊根處，由內(nèi)壁向外壁沿熔合線擴(kuò)展?？刂坪附庸に?，減小焊縫余高、避免設(shè)備冷備運(yùn)行，可減小發(fā)生硫化物應(yīng)力腐蝕開裂傾向。