加氫改質(zhì)裝置反應(yīng)器餾出物管道裂紋失效分析

張 璽

(中國(guó)石油哈爾濱石化公司，黑龍江哈爾濱 150056)

加氫改質(zhì)裝置反應(yīng)器餾出物管道裂紋失效分析

張 璽

(中國(guó)石油哈爾濱石化公司，黑龍江哈爾濱 150056)

中國(guó)石油哈爾濱石化公司加氫改質(zhì)裝置在使用過程中，發(fā)現(xiàn)該裝置的反應(yīng)器餾出物管道上的引壓接管和主管道連接角焊縫發(fā)生泄漏。借助金相分析、光學(xué)顯微鏡、掃描電鏡和能譜等手段對(duì)管道材質(zhì)、裂紋形態(tài)、擴(kuò)展方式以及斷口表面進(jìn)行了分析。結(jié)果表明:該餾出物管道開裂是由于焊接質(zhì)量問題造成的應(yīng)力腐蝕開裂。

餾出物管道 奧氏體不銹鋼 應(yīng)力腐蝕開裂

為了提高柴油產(chǎn)品質(zhì)量，改善產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，中國(guó)石油哈爾濱石化公司(以下簡(jiǎn)稱哈爾濱石化公司)“十一五”期間建設(shè)了一套800 kt/a中壓加氫改質(zhì)裝置。裝置由反應(yīng)、分餾和公用工程3部分組成。該裝置采用雙劑串聯(lián)尾油全循環(huán)的中壓加氫改質(zhì)工藝，反應(yīng)部分采用爐前混氫和冷高壓分離方案，分餾部分采用脫丁烷塔加常壓塔出輕、重柴油方案。加氫改質(zhì)裝置以催化柴油和常減壓蠟油為原料，主要產(chǎn)品是輕柴油、重柴油、輕重石腦油、粗液化氣和燃料氣。

1 失效故障的發(fā)生

哈爾濱石化公司加氫改質(zhì)裝置在生產(chǎn)過程中，發(fā)現(xiàn)反應(yīng)器餾出物管道2-P-11001上的引壓接管和主管道連接角焊縫發(fā)生泄漏。該管道及引壓接管材質(zhì)為TP321，規(guī)格分別為φ355.6 mm×35.7 mm和φ48.26 mm×7.14 mm，管道內(nèi)介質(zhì)為混氫油，設(shè)計(jì)壓力13 MPa，操作壓力9.5～10.5 MPa，工作溫度低于400℃。泄漏點(diǎn)呈2～3 mm小孔，開始判斷為砂眼。現(xiàn)場(chǎng)迅速停車搶修，在停車后對(duì)失效部位進(jìn)行打磨，試圖消除砂眼后進(jìn)行補(bǔ)焊處理，但隨后發(fā)現(xiàn)焊縫內(nèi)部存在穿透裂紋，隨后將焊縫全部打磨后發(fā)現(xiàn)在主管道上也有裂紋。

2 失效原因分析

由于該管道出現(xiàn)泄漏后，原焊接部位的接管角焊縫在搶修過程中打磨后完全打磨沒有了，目前失效分析只能針對(duì)所切割下來的管道主管段部分以及接頭部分進(jìn)行分析。

2.1 表面宏觀檢查及無損檢測(cè)

管道表面宏觀檢查未見有腐蝕和減薄。在接管開孔附近，宏觀檢查可以直接觀察到裂紋的存在。管道的泄漏部位已經(jīng)打磨到母材，仍可觀察到裂紋，將管道沿軸線切割后進(jìn)行檢查通過宏觀檢查及無損檢測(cè)未見管道內(nèi)表面有裂紋。

2.2 化學(xué)成分分析

為確認(rèn)小接頭和管道的材質(zhì)成分，對(duì)引壓接管管接頭的材質(zhì)進(jìn)行了化學(xué)成分分析，其結(jié)果見表1。根據(jù)表1分析結(jié)果可看出，小接頭的化學(xué)成分符合TP321材質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)要求。

表1 化學(xué)成分分析測(cè)試結(jié)果 w，%

2.3 常溫拉伸試驗(yàn)

為判斷材料的拉伸力學(xué)性能是否正常，在管段上取3組試樣進(jìn)行常溫拉伸試驗(yàn)，試件取樣要取母材遠(yuǎn)離焊縫裂紋區(qū)無缺陷部位，結(jié)果見表2。

表2 常溫拉伸試驗(yàn)結(jié)果

TP321的機(jī)械性能:屈服強(qiáng)度高于205MPa，抗拉強(qiáng)度大于520 MPa和延伸率超過40%。根據(jù)試驗(yàn)所得抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和斷后延伸率都符合要求，母材的常溫拉伸力學(xué)性能也符合要求。

2.4 材料標(biāo)準(zhǔn)夏比V形缺口沖擊試驗(yàn)

為判斷材料的沖擊力學(xué)性能是否正常，并為失效分析提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，從管段母材部位上取樣進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)夏比V形缺口沖擊試驗(yàn)，取樣位置為遠(yuǎn)離裂紋部位的區(qū)域。沖擊試驗(yàn)結(jié)果見表3，母材沖擊力學(xué)性能符合要求。

表3 夏比V形缺口沖擊試驗(yàn)結(jié)果

2.5 金相組織分析

2.5.1 金相分析各部分示意

金相組織分析取樣點(diǎn)見圖1和圖2。

圖1 管道2-P-11001取樣點(diǎn)

圖2 接頭取樣點(diǎn)

2.5.2 金相組織分析結(jié)果

(1)殘余焊縫區(qū)金相組織:在殘余的焊縫組織中有少量夾雜物，成分不明，判斷為焊接過程產(chǎn)生的金屬化合物(氧化物或者碳化物)，夾雜物尺寸很小，一般在10 ～30 μm，見圖3。

(2)裂紋區(qū)金相組織:管段上裂紋附近區(qū)域的金相組織形貌見圖4～7。裂紋1和2區(qū)為殘余焊縫組織，為明顯鑄態(tài)凝固組織，有結(jié)晶粒度均勻正常，組織形態(tài)良好。相對(duì)焊縫區(qū)的夾雜，裂紋1和2區(qū)夾雜數(shù)量少(見圖3)。由于尺寸較小，對(duì)結(jié)構(gòu)力學(xué)性能不會(huì)有明顯影響。圖5為裂紋1區(qū)截面方向的金相組織形態(tài)，可以觀察到同方向豎條帶狀條紋。

(3)熱影響區(qū)金相組織:焊縫附近熱影響區(qū)的金相基體組織為奧氏體組織，且組織形態(tài)良好，晶粒度均勻，沒有明顯析出物。

圖3 殘余焊縫區(qū)的焊縫夾雜物

圖4 裂紋1區(qū)的金相形貌(表面)

圖5 裂紋1區(qū)的組織(橫截面)

圖6 裂紋2區(qū)的焊縫組織(表面)

圖7 裂紋2區(qū)的組織(截面)

2.6 掃描電鏡及能譜分析

通過對(duì)裂紋進(jìn)行掃描電鏡掃描可以看出，焊縫及其附近的裂紋均為穿晶裂紋。裂紋是空間三維方向擴(kuò)展，由于管道接頭部位的焊縫在搶修時(shí)被打磨下去大部分，殘留部分較小，裂紋也因此被打磨不完整，無法判斷裂紋的開裂起始的部位，對(duì)擴(kuò)展方向只能是做初步估計(jì)。通過對(duì)焊縫區(qū)、裂紋1區(qū)、熱影響區(qū)的二次電子像及相同部位的電子背散射衍射EBSD像對(duì)比可以看出，上述部位晶體無明顯的成分及結(jié)構(gòu)偏析。通過對(duì)裂紋內(nèi)腐蝕產(chǎn)物分析可以發(fā)現(xiàn)裂紋內(nèi)腐蝕產(chǎn)物中S元素含量很高，F(xiàn)e元素也較高見圖8。

圖8 裂紋1腐蝕產(chǎn)物能譜分析

3 結(jié)果分析與討論

通過一系列試驗(yàn)分析可以排除母材質(zhì)量造成裂紋的可能性。首先通過無損檢測(cè)可以判斷裂紋沒有貫穿母材。對(duì)連接支管用的小接頭和母材的材質(zhì)經(jīng)化學(xué)成分分析、力學(xué)性能試驗(yàn)(拉伸和沖擊試驗(yàn))，所得試驗(yàn)結(jié)果符合材料要求。母材本體的金相分析顯示，組織均勻，晶粒形狀和尺寸正常。

通過金相分析可以觀察到在接頭殘余焊縫區(qū)和裂紋區(qū)的夾雜較多。一般情況下，較為分散且較小尺度的夾雜不會(huì)影響管道焊接接頭的抗拉強(qiáng)度，只會(huì)對(duì)材料的韌性有不利影響。由于該次失效分析所觀察的試件上焊縫殘余較少，目前不能排除在未見部位焊縫存在較大夾雜或者夾雜分布比較密集的可能，特別是焊接熔合后表面的夾雜情況不明。較大尺度或者較為集中的夾雜相當(dāng)于在焊縫區(qū)域存在不連續(xù)相，會(huì)導(dǎo)致局部形成嚴(yán)重的應(yīng)力集中。在一定的載荷和一定的腐蝕條件下，這些夾雜極有可能成為裂紋或者應(yīng)力腐蝕開裂的萌發(fā)源，或者對(duì)裂紋的擴(kuò)展過程起到推動(dòng)作用［1］。

在裂紋區(qū)金相分析中顯示的同方向豎條帶狀條紋表明，這個(gè)區(qū)域材料的結(jié)晶被沿一定方向被拉長(zhǎng)，即這個(gè)區(qū)域可能存在較高水平的焊接殘余應(yīng)力。由于奧氏體不銹鋼的熱膨脹系數(shù)很大，焊接過程的加熱和冷卻導(dǎo)致較大的熱應(yīng)力作用在焊接接頭區(qū)域，并形成較大的焊接殘余應(yīng)力。殘余應(yīng)力對(duì)裂紋的發(fā)生和擴(kuò)展有推動(dòng)作用［2］。

通過對(duì)裂紋進(jìn)行掃描電鏡掃描可以看出，焊縫及其附近的裂紋均為穿晶裂紋。高溫過熱器管道的開裂具有典型奧氏體不銹鋼應(yīng)力腐蝕開裂的特征。通過對(duì)裂紋內(nèi)腐蝕產(chǎn)物分析可以發(fā)現(xiàn)裂紋內(nèi)腐蝕產(chǎn)物中S元素含量很高，F(xiàn)e元素也較高，可以推斷開裂處腐蝕產(chǎn)物為硫化鐵等所致。硫化氫加氫是奧氏體不銹鋼的腐蝕介質(zhì)體系之一，通常發(fā)生在加氫裝置［3］。在富氫環(huán)境中，原子氫能不斷侵入硫化膜造成膜的疏松多孔，原子氫與硫化氫能得以互相擴(kuò)散滲透，因而硫化氫腐蝕就不斷進(jìn)行。由于高溫高壓(370℃，10 MPa左右)的硫化物和氫共同作用下，在管道和接頭焊縫殘余應(yīng)力水平較高的內(nèi)部某部位(熱影響區(qū))或焊接接頭存在缺陷的部位形成開裂源，并向外擴(kuò)展直至泄漏。

通過上述分析可以判斷該餾出物管道開裂是由于焊接質(zhì)量造成的應(yīng)力腐蝕開裂。以焊接過程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力為應(yīng)力源，加上環(huán)境介質(zhì)及使用溫度的作用形成應(yīng)力腐蝕開裂是管道開裂的主要原因。

Analysis of Cracking Failure of Reactor Effluent Piping in Hydro－upgrading Unit

Zhang Xi
PetroChina Harbin Petrochemical Company(Harbin，Heilongjiang 150056)

In the operation of hydro－upgrading unit in PetroChina Harbin Petrochemical Company，the angle welds of reactor effluent piping and main pipeline leaked.The metallurgy，forms of cracking，the promulgation and fracture surface were analyzed.The results have confirmed that the pipeline cracking is stress corrosion cracking caused by welding quality problem.

effluent pipeline，austenitic stainless steel，stress corrosion cracking

TE988.2

B

1007－015X(2011)03－0055－03

2010－10－ 30;

2011－03－11。

張璽(1981－)，2004年畢業(yè)于黑龍江大學(xué)化學(xué)專業(yè)。現(xiàn)在中國(guó)石油哈爾濱石化分公司聯(lián)合裝置車間工作。E －mail:zhangxhpc@petrochina.com.cn

國(guó)內(nèi)外動(dòng)態(tài)