EOEG裝置第四效蒸發(fā)器C534上下封頭環(huán)焊縫及拼縫裂紋原因分析

摘要：某石化公司EOEG裝置第四效蒸發(fā)器C534，在2021年大修檢驗(yàn)過(guò)程中，于上下封頭的環(huán)焊縫及拼縫周邊發(fā)現(xiàn)內(nèi)表面裂紋。筆者通過(guò)滲透檢測(cè)、硬度檢測(cè)、鐵素體含量檢測(cè)、金相檢測(cè)，對(duì)奧氏體不銹鋼上下封頭的環(huán)焊縫及拼接焊縫周邊產(chǎn)生裂紋原因進(jìn)行分析，結(jié)果顯示：由于上下封頭的直邊段材質(zhì)是奧氏體不銹鋼，在冷加工過(guò)程中，部分組織轉(zhuǎn)變成形變馬氏體；在氯化物及拉應(yīng)力作用下，導(dǎo)致上下封頭的環(huán)焊縫及拼接焊縫周邊發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂。提出以下建議：壓力容器的制造過(guò)程中，應(yīng)根據(jù)不同材質(zhì)、規(guī)格及環(huán)境工況，確定合適的加工處理工藝。

關(guān)鍵詞：奧氏體；相變馬氏體；第四效蒸發(fā)器；氯化物應(yīng)力腐蝕開裂

Cause Analysis of Girth Weld and Joint Crack of the Fourth Effect Evaporator C534 Upper and Lower Head in EOEG Unit

XU Xiong

（ Fujian Boiler and Pressure Vessel Inspection" Institute，F(xiàn)uzhou 350008， Fujian， China ）

Abstract： During the overhaul inspections in 2021， internal surface cracks were found around the girth welds of the upper and lower heads of the fourth effect evaporator C534 In the EOEG unit of a petrochemical company. Cracking causes for upper and lower head of metastable austenitic stainless steel was analyzed by means of penetration testing， hardness testing， ferrite detection， and metallographic analysis.The results showed that， as the straight sections of the upper and lower heads were made of austenitic stainless steel， during the cold working process， some of the microstructure transformed into deformed martensite. It is recommended that in the manufacturing process of pressure vessels， appropriate processing techniques should be determined based on different materials， specifications， and environmental conditions.

Key Words： Austenite; Transformation martensite; Fourth effect evaporator; Sulphide stress corrosion cracking

1" EOEG裝置概況及蒸發(fā)器單元工藝流程

該EOEG裝置為年產(chǎn)18萬(wàn)噸環(huán)氧乙烷及年產(chǎn)40萬(wàn)噸乙二醇，以乙烯裝置的產(chǎn)品為原料；環(huán)氧乙烷廣泛用作乙二醇及冷卻劑等的原料，其生產(chǎn)是：在銀催化劑的作用下，乙烯與純氧發(fā)生氧化反應(yīng)這一化學(xué)原理；同時(shí)乙二醇也是非常重要的有機(jī)原料，用作生產(chǎn)滌綸、合成纖維及化妝品等產(chǎn)品，乙二醇生產(chǎn)是采用環(huán)氧乙烷水合反應(yīng)生成；該裝置采用美國(guó)科學(xué)設(shè)計(jì)公司（SD）專利商技術(shù)，為聯(lián)合生產(chǎn)環(huán)氧乙烷和乙二醇產(chǎn)品，2013年由中國(guó)石化工程建設(shè)公司總承包，中國(guó)石化南京工程公司對(duì)主裝置的建筑設(shè)備進(jìn)行安裝。

EOEG裝置在生產(chǎn)乙二醇過(guò)程中，為了去除乙二醇反應(yīng)器產(chǎn)生的雜物，需要依次經(jīng)過(guò)第一效至第六效蒸發(fā)器及第一再沸器至第六再沸器，其工藝流程圖詳見圖1，第一效至第六效蒸發(fā)器流程所使用的催化劑為氯乙烷；第一效至第三效蒸發(fā)器筒體材質(zhì)為Q345R+內(nèi)襯不銹鋼S30403，檢驗(yàn)過(guò)程未發(fā)現(xiàn)裂紋，整體狀況較好；第四效至第六效蒸發(fā)器為整體不銹鋼S30403制造，這三臺(tái)在上下封頭環(huán)焊縫內(nèi)表面上均存在整圈密集裂紋，同時(shí)在封頭拼縫也發(fā)現(xiàn)裂紋，為了分析裂紋產(chǎn)生的原因，本篇采用第四效蒸發(fā)器C534為研究對(duì)象，其在圖1橢圓形位置。

2" 第四效蒸發(fā)器C534規(guī)格參數(shù)

第四效蒸發(fā)器C534的設(shè)計(jì)單位及制造單位均為天津津?yàn)I石化設(shè)備有限公司，其設(shè)計(jì)溫度為190℃，設(shè)計(jì)壓力為0.632MPa，操作溫度為160℃，操作壓力為0.46MPa，規(guī)格為（2300×18/12×19210）mm，材質(zhì)為S30403，容器頂部介質(zhì)成分分析結(jié)果為：水99.83%、乙二醇0.17%，底部介質(zhì)成分分析為：水73.64%、乙二醇24.3%、二乙二醇1.94%、三乙二醇0.12%、多乙二醇0.01%，主要雜質(zhì)為甲醛、乙醛等醛類物質(zhì)，氯離子含量小于1mg/L。查閱該臺(tái)容器制造資料，容器的奧氏體不銹鋼封頭為冷壓成型，出廠時(shí)未進(jìn)行固溶處理。

第四效蒸發(fā)器C534于2015年2月投入使用，2018年首次實(shí)施定期檢驗(yàn)，經(jīng)滲透檢測(cè)，上下封頭與筒體連接的環(huán)焊縫內(nèi)表面整圈密集裂紋，同時(shí)封頭拼接焊縫也存在裂紋，經(jīng)打磨消除并補(bǔ)焊。2021年大修檢驗(yàn)時(shí)，在相同部位又發(fā)現(xiàn)密集網(wǎng)狀裂紋，而且裂紋比2018年更長(zhǎng)更深。

3 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)

3.1" 滲透檢測(cè)

由于該設(shè)備材質(zhì)為不銹鋼材質(zhì)，為非鐵磁性材料，內(nèi)表面無(wú)損檢測(cè)無(wú)法進(jìn)行磁粉檢測(cè)，故采用滲透對(duì)焊縫及其熱影響區(qū)進(jìn)行檢測(cè)。

對(duì)該臺(tái)容器的A1至A6、A9、A10、B1、B2、B4、FR1及FR2（見圖2）的焊縫及熱影響區(qū)進(jìn)行滲透檢測(cè)，內(nèi)表面滲透檢測(cè)部位結(jié)果詳見表1，從結(jié)果可以得出，裂紋基本在上下封頭的環(huán)焊縫及拼縫上，環(huán)焊縫處的裂紋也是靠近封頭側(cè)才有；環(huán)焊縫B1內(nèi)表面的裂紋形態(tài)詳見圖3，其裂紋形態(tài)為整圈密集裂紋，裂紋走勢(shì)為垂直于環(huán)焊縫，靠近環(huán)焊縫的裂紋較粗，往封頭直邊段延伸，裂紋最長(zhǎng)約40mm左右。

3.2" 光譜檢測(cè)

光譜檢測(cè)，是在電磁輻射條件下，金屬物質(zhì)中的元素粒子的能級(jí)會(huì)發(fā)生跳躍，進(jìn)而產(chǎn)生吸收和散射輻射等行為，而電磁輻射的強(qiáng)度跟波長(zhǎng)有相關(guān)性，從而能夠定性、定量此種物質(zhì)成分；本次光譜檢測(cè)采用手持式X射線熒光光譜儀S1 SORTER進(jìn)行。

對(duì)封頭進(jìn)行成分分析，結(jié)果見表2；可知，封頭化學(xué)成分均符合S30403不銹鋼化學(xué)成分的標(biāo)準(zhǔn)要求。

3.3硬度檢測(cè)

硬度檢測(cè)，就是材料抵抗變形的能力。根據(jù)試驗(yàn)方法和適應(yīng)范圍的不同，硬度可分為布氏硬度、維氏硬度、洛氏硬度、維氏硬度等，對(duì)應(yīng)不同的測(cè)試方法，適用于不同的材料或工況；由于本次硬度檢測(cè)是在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行，故采用里氏硬度計(jì)HT-1000A進(jìn)行檢測(cè)。

對(duì)C534上封頭進(jìn)行硬度檢測(cè)，封頭布置點(diǎn)見圖4，上封頭各布置點(diǎn)的硬度結(jié)果見表3；由表3可得出上封頭的直邊段硬度是最高的，高達(dá)418HB，過(guò)渡段及頂部的硬度也普遍偏高，基本在300HB左右。經(jīng)查詢GB/T 1220-2007相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，固溶處理后，S30403奧氏體不銹鋼材質(zhì)，其硬度上限值為187HB，該實(shí)際硬度遠(yuǎn)高于標(biāo)準(zhǔn)要求。奧氏體不銹鋼存在加工硬化，在變形較大的部位，其殘余應(yīng)力水平也較高，實(shí)質(zhì)為產(chǎn)生了形變馬氏體；其變形程度越高，產(chǎn)生的形變馬氏體比例也愈多，相應(yīng)則硬度就愈高[1]。

3.4 鐵素體含量檢測(cè)

鐵素體含量檢測(cè)的常見方法有光學(xué)顯微鏡分析、X射線衍射分析、磁性測(cè)量等，本次采用鐵素體測(cè)定儀MF300＋進(jìn)行檢測(cè)，其原理是通過(guò)測(cè)量金屬的磁性變化來(lái)確定金屬中的鐵素體含量。

用鐵素體測(cè)定儀按圖4的布置點(diǎn)對(duì)C534上封頭進(jìn)行鐵素體含量檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果見表4；由結(jié)果可知，在距離直邊段附近的位置，其鐵素體含量最高，為40%左右，封頭過(guò)渡段及頂板為10%～20%，也偏高。說(shuō)明封頭加工成型后，出現(xiàn)了組織轉(zhuǎn)變，產(chǎn)生了形變馬氏體，使得封頭直邊段硬度急劇提高，而塑性嚴(yán)重下降[2]。

3.5金相分析

金相分析是金屬材料研究的重要手段之一，主要是用來(lái)分析金屬組織及其形態(tài)，也可以用來(lái)觀察微觀裂紋走向及形態(tài)。

選取圖3的裂紋1的部位進(jìn)行金相檢測(cè)，通過(guò)顯微觀察發(fā)現(xiàn)，裂紋是焊縫靠近直邊段的焊縫熔合區(qū)處誘發(fā)的，由熔合區(qū)向直邊段、進(jìn)而向封頭頂部擴(kuò)展延伸所致。從裂紋的顯微形貌可以看出：裂紋主要為沿晶開裂特征，個(gè)別密集裂紋部位除了沿晶開裂外，可見分支穿晶開裂形態(tài)（見圖5）。這些裂紋形態(tài)為應(yīng)力腐蝕裂紋特征，從而進(jìn)一步驗(yàn)證了硬度與鐵素體檢測(cè)結(jié)果。

4" 裂紋原因分析

4.1 應(yīng)力狀態(tài)

該臺(tái)容器為內(nèi)壓圓筒形壓力容器，應(yīng)力分布[3]見圖6，環(huán)焊縫及封頭拼縫承受的工作應(yīng)力為拉應(yīng)力，同時(shí)運(yùn)行狀態(tài)下溫度變化產(chǎn)生的熱應(yīng)力，都為應(yīng)力腐蝕開裂創(chuàng)造了條件。

4.2上檢遺留問(wèn)題

上檢對(duì)發(fā)現(xiàn)的裂紋進(jìn)行打磨消除并補(bǔ)焊，受現(xiàn)場(chǎng)條件限制，補(bǔ)焊工藝的執(zhí)行不如制造廠有利，補(bǔ)焊外觀質(zhì)量較差，也未圓滑過(guò)渡；補(bǔ)焊后未進(jìn)行熱處理，雖然補(bǔ)焊加強(qiáng)了該部位的強(qiáng)度，但對(duì)該部位的材質(zhì)劣化是不利的，同時(shí)補(bǔ)焊層依舊存在較高的殘余應(yīng)力，未改變?nèi)萜骺垢g和抗開裂的能力。由于馬氏體相耐蝕性較奧氏體相差，容易被選擇性溶解，發(fā)生點(diǎn)蝕。在較高的殘余應(yīng)力、拉應(yīng)力和使用過(guò)程交變應(yīng)力的共同作用下，不連續(xù)部位作為裂紋源擴(kuò)展導(dǎo)致應(yīng)力腐蝕開裂。在封頭直邊部位的殘余應(yīng)力和周向應(yīng)力疊加效果更大，這就是裂紋集中在封頭直邊側(cè)的主要原因。

4.3封頭加工工藝分析

查閱該C534的制造資料，該封頭加工方法為冷沖壓成型，該奧氏體不銹鋼封頭，其制造后也未進(jìn)行固溶處理；S30403為不穩(wěn)態(tài)奧氏體不銹鋼， 其組織在正常狀態(tài)下是奧氏體，通過(guò)金相組織分析顯示，產(chǎn)生裂紋部位的周邊顯微組織中出現(xiàn)了大量形變馬氏體，主要是在制造過(guò)程中，部分奧氏體會(huì)轉(zhuǎn)變成形變馬氏體，發(fā)生了組織轉(zhuǎn)變。形變馬氏體組織硬度比較高，造成變形大的區(qū)域存在硬度偏高、鐵素體含量偏高等[4]，同時(shí)在直邊段存在較大的應(yīng)力集中。

4.4環(huán)境因素

從團(tuán)隊(duì)提供的介質(zhì)成分分析結(jié)果，醛類物質(zhì)和氯離子含量未見明顯異常，但乙二醇水溶液經(jīng)過(guò)前面三級(jí)蒸發(fā)器除去提純后，進(jìn)入后面三級(jí)蒸發(fā)器，進(jìn)一步精餾分離出較高純度的乙二醇等物質(zhì)。第四效蒸發(fā)器處于蒸發(fā)系統(tǒng)的后端，蒸發(fā)系統(tǒng)的目的是對(duì)乙二醇水溶液進(jìn)行提純，在蒸發(fā)器工作過(guò)程中，通過(guò)部分水的汽化不斷提純乙二醇溶液，但是醛類物質(zhì)和氯離子在局部濃度也會(huì)較高，在含氯離子的醛化溶液中，為不銹鋼的應(yīng)力腐蝕開裂提供了環(huán)境條件。

5" 修復(fù)措施

由于奧氏體不銹鋼封頭制造后未進(jìn)行固溶處理，后期現(xiàn)場(chǎng)不具備條件對(duì)其進(jìn)行熱處理，只能每次大修對(duì)該部位重點(diǎn)檢測(cè)，無(wú)法本質(zhì)上解決產(chǎn)生裂紋的原因；按照TSG 21-2016《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》第8.5.4的規(guī)定對(duì)裂紋進(jìn)行消缺處理；缺陷消除后，通知檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)復(fù)核，打磨凹坑深度超過(guò)允許范圍的，委托有相應(yīng)資質(zhì)的容器修理單位進(jìn)行修理。針對(duì)2018年修復(fù)的外觀表面質(zhì)量比較差，如修補(bǔ)部位余高未打磨到圓滑過(guò)渡，且2021年大修復(fù)檢時(shí)又發(fā)現(xiàn)裂紋的情況；2021年大修過(guò)程中，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備情況及材質(zhì)自身特性制定了如下修復(fù)措施：

1）使用角磨機(jī)打磨缺陷部位，清除裂紋缺陷，打磨過(guò)程中，隨磨隨滲透檢測(cè)，盡可能減少筒體壁厚減薄量；

2）打磨中缺陷部位與筒體內(nèi)壁圓滑過(guò)渡，斜度小于1：3，防止出現(xiàn)筒體內(nèi)壁高度突變；

3）對(duì)于打磨深度大于2mm的位置，采用焊條進(jìn)行補(bǔ)焊，然后再打磨圓滑過(guò)渡。焊材使用E308-16，φ3.2，焊接電流90～110A，焊接速度100～150mm/min，焊前清除表面雜質(zhì)油污等，在鄰近部位涂白堊粉，防止飛濺污染。焊接過(guò)程中層間溫度小于100℃，盡可能采用小電流快速焊；

4）修磨和補(bǔ)焊完畢后，對(duì)修理部位滲透檢查，按照NB/T 47013.5-2015，不得有任何缺陷。

6 結(jié)論及建議

1）S30403為亞穩(wěn)態(tài)奧氏體不銹鋼，該材料在加工制造過(guò)程中，變形部位會(huì)產(chǎn)生奧氏體組織向馬氏體組織轉(zhuǎn)變，即發(fā)生馬氏體相變；該變形位置若是在拉應(yīng)力及氯化物綜合作用下，更易誘發(fā)形成應(yīng)力腐蝕開裂。所以在實(shí)際工作中，還是應(yīng)針對(duì)所使用的工作環(huán)境，選擇正確的加工工藝。對(duì)惡劣工作狀態(tài)下采用的經(jīng)冷沖壓成型的奧氏體不銹鋼設(shè)備，也應(yīng)當(dāng)按照標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行固溶化處理。

2）裝置運(yùn)行盡量平穩(wěn)，尤其是針對(duì)關(guān)鍵設(shè)備，避免溫度劇烈波動(dòng)，進(jìn)而產(chǎn)生熱應(yīng)力，損傷設(shè)備，在應(yīng)力集中部位產(chǎn)生裂紋；同時(shí)在工藝介質(zhì)上，最大限度降低介質(zhì)中的氯離子含量。

3）工藝及設(shè)計(jì)允許的情況下，建議對(duì)厚壁的不銹鋼更改結(jié)構(gòu)，采用Q345R+內(nèi)襯不銹鋼S30403。

4）設(shè)備安裝使用之前，對(duì)不銹鋼設(shè)備的封頭直邊段、焊縫位置進(jìn)行有針對(duì)性的抽查，比如硬度檢測(cè)和鐵素體含量檢測(cè)等，必要時(shí)采用金相檢測(cè)，避免不合格封頭投入使用。

5）制造焊接或補(bǔ)焊不銹鋼過(guò)程中，為了防止過(guò)熱而產(chǎn)生熱裂紋，采用小電流快速焊，施焊時(shí)要用短弧，嚴(yán)格按規(guī)范控制層間溫度；必要時(shí)，焊后進(jìn)行熱處理等工序，以改善焊接接頭的組織與性能，同時(shí)減少應(yīng)力集中。

6）裂紋消除后，下檢日期為2024年11月，建議下次檢驗(yàn)重點(diǎn)對(duì)之前產(chǎn)生裂紋的部位進(jìn)行復(fù)測(cè)，以判斷修復(fù)工藝是否比2018年的更好。

參考文獻(xiàn)

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收稿日期：2023-11-24

作者簡(jiǎn)介：許" "雄，男，福建省鍋爐壓力容器檢驗(yàn)研究院，工程師