催化裂化旋風(fēng)分離器殼體開裂原因分析

王保軍

（中海石油中捷石化有限公司，河北 滄州 061101）

0 引言

催化裂化裝置的旋風(fēng)分離器主要是利用離心力的作用，將催化劑與油氣進(jìn)行分離的裝置。分別安裝在沉降器和再生器內(nèi)。某石化催化裂化裝置2021 年3 月17 日停工檢修，2021 年3 月21 日檢查發(fā)現(xiàn)沉降器旋風(fēng)分離器的殼體開裂，見圖1。據(jù)資料顯示，旋風(fēng)分離器的殼體材料為20R 鋼，旋分本體內(nèi)襯龜甲網(wǎng)。旋風(fēng)分離器內(nèi)的介質(zhì)為油氣+催化劑。

圖1 旋風(fēng)分離器殼體開裂的現(xiàn)場狀況（圓圈處為取樣處）

1 檢驗分析

1.1 殼體的宏觀及低倍形貌觀察

送檢的殼體斷裂樣塊為一個三角形板狀塊體（圖1 中圓圈處），殼體壁厚10 mm。樣塊的兩個邊為斷口，分別標(biāo)記為斷口1 和斷口2，見圖2。

圖2 送檢斷裂殼體樣塊的宏觀形貌

圖3 殼體斷口的低倍形貌（斷口1）

圖4 旋風(fēng)分離器殼體斷口處的金相組織

可見，殼體的開裂失效性質(zhì)為脆性斷裂，斷口1的裂紋源在殼體的內(nèi)壁，斷口2 的裂紋源在殼體器壁的內(nèi)部（與斷口1 的交匯處）。

斷口1 的裂紋起源于殼體內(nèi)壁，裂紋由內(nèi)向外擴展，形成圓弧狀的放射發(fā)散形貌；之后，裂紋沿殼體器壁快速地擴展，在殼體器壁斷口上留下人字形的放射狀條紋（人字形條紋的收斂方向為裂紋源處）。

在斷口1 裂紋源處的殼體內(nèi)壁上有裂紋存在（可見開裂殼體的殘余碎塊-翹起部分）。人為地去掉斷口1 裂紋源處的殘余碎塊（翹起處），可以更加直觀方便地觀察斷口1 的裂紋源區(qū)，即裂紋起源于殼體內(nèi)壁，裂紋由內(nèi)呈圓弧狀向外擴展。

斷口2 的裂紋起源于與斷口1 的交匯處，之后，裂紋也沿殼體器壁快速地擴展，呈放射狀，在殼體斷口上留下人字形的放射狀條紋（人字形條紋的收斂方向為裂紋源處）。

1.2 殼體的材質(zhì)分析

從殼體樣塊上取塊狀樣品，依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，使用光譜儀等，對其材質(zhì)進(jìn)行化學(xué)分析（表1）。結(jié)果表明，殼體材質(zhì)是16MnR。

表1 殼體材質(zhì)的化學(xué)成分（wt%）

同時，根據(jù)材質(zhì)成份分析，Mn 含量超出范圍，Mn含量高時，可能會因為貝氏體的出現(xiàn)，導(dǎo)致鋼的塑性、韌性降低。

1.3 殼體的金相分析

從殼體樣塊上取金相樣品，經(jīng)預(yù)磨、拋光、腐刻后，在顯微鏡下觀察分析。金相樣品的取樣位置。

（1）斷口裂紋源處

在斷口的裂紋源處，殼體內(nèi)壁有一個圓弧形凹陷，裂紋起源于該處，向外殼體的外壁擴展；圓弧處殼體器壁的金相組織中有一圓弧狀的異常區(qū)，異常區(qū)中的晶粒明顯地細(xì)小。在殼體斷口處，殼體器壁組織中有沿晶裂紋存在，具有氫脆（氫致裂紋）的特征[1]，且夾雜物較多。

（2）斷口裂紋擴展區(qū)

在斷口裂紋擴展區(qū)，斷口處沒有塑性變形，殼體器壁組織中有沿晶裂紋存在，具有氫脆（氫致裂紋）的特征。

（3）殼體器壁截面

殼體的外、內(nèi)壁表面均有約0.15 mm 厚的氧化物層。殼體器壁的金相組織為鐵素體+球狀、顆粒狀珠光體。

1.4 斷口的電鏡及能譜分析

使用掃描電鏡，對殼體斷口1 的裂紋源區(qū)和裂紋擴展區(qū)進(jìn)行形貌觀察和元素成分能譜分析。

殼體斷口微觀上呈現(xiàn)沿晶+準(zhǔn)解理+韌窩等的混合狀態(tài)，晶粒界面出現(xiàn)微小空洞及晶界分離溝槽，晶面上有發(fā)紋線（雞爪痕），這些是氫脆斷裂的典型特征[1]；能譜分析表明，殼體斷口表面主要元素為Fe、Mn、Si 等，這些是16Mn 鋼的構(gòu)成元素；而S、Cl、C 等應(yīng)該是殼體開裂后，環(huán)境介質(zhì)對殼體斷口的污染，見圖5。

圖5 殼體斷口1 裂紋源區(qū)的SEM+EDS

氫脆斷口與應(yīng)力腐蝕斷口的一個重要差別，就是氫脆斷口干凈，斷口上沒有腐蝕產(chǎn)物附著。

2 分析與討論

通過對旋風(fēng)分離器殼體開裂處的多項理化檢驗分析，認(rèn)為旋風(fēng)分離器殼體的開裂失效性質(zhì)為氫脆（氫致開裂）。

氫脆是指氫原子（H）侵入材料內(nèi)部并且在一些晶格缺陷聚集而形成氫分子（H2），體積膨脹導(dǎo)致材料內(nèi)部破裂。

鋼中氫的來源可以是冶煉、焊接、熱處理過程中進(jìn)入的，如果在焊接時使用濕的焊條或含水量高的焊劑焊條，氫則容易可以進(jìn)入母材中（稱延遲開裂或底部開裂）；其次，在濕硫化氫或氫氟酸環(huán)境中，氫原子也可以擴散進(jìn)入鋼鐵；再者，氫也可以在酸洗的時候進(jìn)入母材。在煉廠的催化裂化設(shè)備中存在著許多腐蝕性介質(zhì)，會對催化裂化裝置的材料產(chǎn)生腐蝕破壞作用。當(dāng)催化裂化裝置長期停用后，導(dǎo)致裝置內(nèi)部腐蝕的原因有[2]：（1）裝置雖然停工后使用蒸汽吹掃，但是不能百分之百的將管線及設(shè)備中的雜質(zhì)全部吹掃清除。設(shè)備及管線中不可避免的還會存在硫、氮等雜質(zhì)，這些雜質(zhì)對管線、設(shè)備產(chǎn)生的腐蝕；（2）長時間停工后，設(shè)備及管線內(nèi)殘留的水份與空氣中的氧共同作用造成設(shè)備的氧腐蝕：開工過程中形成的硫腐蝕物與空氣中氧、水分協(xié)同作用，加劇了設(shè)備的腐蝕。

旋風(fēng)分離器殼體材質(zhì)為16MnR。16MnR 是屈服強度345 MPa 級的普通低合金高強度鋼，具有良好的綜合力學(xué)性能、焊接性能、工藝性能及低溫沖擊韌性，是我國壓力容器專用鋼板中使用量最大的一個鋼號，主要用于制造-20 ～400 ℃的中、低壓壓力容器殼體及承壓構(gòu)件、液化石油氣瓶及中小型球罐等。但16Mn鋼對H2S 的腐蝕比較敏感，易于發(fā)生脆性斷裂[3]。

當(dāng)催化裂化裝置長期停用后，裝置溫度降低至常溫，裝置內(nèi)部殘存的硫化物容易與水構(gòu)成一個H2S+H2O 的腐蝕環(huán)境，即：

硫化氫在水中發(fā)生電離：

H2S = H++ HS

HS-= H++ S2-

鋼在濕硫化氫環(huán)境中發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)：

陽極過程：Fe→Fe2++ 2e-Fe2++ HS-→FeS↓+ H+

或Fe2++ S2-→FeS↓

陰極過程：2H++ 2e- →2H（滲入到鋼材中）

當(dāng)滲入到鋼中的H 結(jié)合為H2后，即2H→H2↑，就會造成鋼的氫鼓包或氫致開裂。

至于旋風(fēng)分離器殼體裂紋源處的內(nèi)壁金相異常組織（細(xì)晶粒區(qū)），可能是殼體內(nèi)壁焊接內(nèi)襯龜甲網(wǎng)時，產(chǎn)生的焊接熱影響區(qū)。16Mn 鋼的焊縫及焊接熱影響區(qū)存在一定的焊接脆性，旋風(fēng)分離器殼體裂紋起源于殼體內(nèi)壁組織異常區(qū)也可能有這方面的因素。

加之，該旋分器投用時間較久（17 年），金屬長期在高溫環(huán)境下已經(jīng)發(fā)生珠光體球化的現(xiàn)象。根據(jù)算式：

式中：τ為完全球化所需要的時間min；A 為物性參數(shù)，隨化學(xué)成分等變化；e 為自然對數(shù)底；b 為常數(shù)；T為絕對溫度K。

可知，影響鋼材珠光體球化的因素主要有溫度和化學(xué)成分。16MnR 正火狀態(tài)后的晶相為鐵素體+珠光體，在沉降器內(nèi)長時間的高溫環(huán)境下（操作溫度500 ℃），珠光體球化過程會慢慢發(fā)生，在不同的球化等級下，對材料的蠕變極限和持久強度都會出現(xiàn)明顯的影響。尤其，中等球化情況下，會使材料的強度指標(biāo)下降約10%。繼而影響設(shè)備的使用壽命。

在環(huán)境、應(yīng)力、材料等因素都具備的條件下，旋風(fēng)分離器殼體發(fā)生了開裂而失效。

3 結(jié)語

在TSG D7005-2018《壓力管道定期檢驗規(guī)則-工業(yè)管道》第2.4.2.5 條規(guī)定：對有高溫蠕變和材質(zhì)劣化傾向的管道，應(yīng)當(dāng)選擇有代表性部位進(jìn)行硬度檢測，必要時進(jìn)行金相分析。建議借鑒此規(guī)定，在旋分器某部位安裝試塊，檢修期間對試塊進(jìn)行晶相分析，防止材質(zhì)劣化帶來的風(fēng)險。尤其對于使用超過兩個周期（6～8 年）以上的旋分器應(yīng)當(dāng)進(jìn)行著重檢查。

在停工后，應(yīng)當(dāng)給與兩器充分的降溫后再打開人孔，尤其對于沉降器而言，旋分器上附著大量的焦塊，如果急于打開人孔，焦塊和旋分器的膨脹系數(shù)不同，會導(dǎo)致旋分器本體出現(xiàn)大幅溫差，導(dǎo)致殼體出現(xiàn)損傷。因此，在北方冬季進(jìn)行檢修時，應(yīng)該進(jìn)行熱應(yīng)力計算，防止在熱應(yīng)力作用下，材料發(fā)生脆性斷裂。

旋風(fēng)分離器殼體的開裂失效性質(zhì)為氫脆（氫致開裂）。裂紋源位置為細(xì)晶粒區(qū)的異常組織，可能與焊接內(nèi)襯龜甲網(wǎng)有關(guān)，加上材料內(nèi)部的原始?xì)?，以及服役過程中的滲入的氫的作用，最終導(dǎo)致開裂失效。

目前，防止催化裂化裝置停用期間腐蝕的主要措施是堿洗和添加緩蝕劑[4，5]。帶有襯里的旋風(fēng)分離器采用添加緩蝕劑來保護(hù)是較為適宜。同時，根據(jù)氫的來源，選擇合適的合金成分，在FCC、加氫處理和其他含硫化氫的環(huán)境中，依據(jù)NCCE MR0103/ISO 17945 的要求，選擇使用抗氫脆材料制造設(shè)備。