加氫改質裝置反應器餾出物管道裂紋失效分析

張 璽

(中國石油哈爾濱石化公司，黑龍江哈爾濱 150056)

加氫改質裝置反應器餾出物管道裂紋失效分析

張 璽

(中國石油哈爾濱石化公司，黑龍江哈爾濱 150056)

中國石油哈爾濱石化公司加氫改質裝置在使用過程中，發(fā)現(xiàn)該裝置的反應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、光學顯微鏡、掃描電鏡和能譜等手段對管道材質、裂紋形態(tài)、擴展方式以及斷口表面進行了分析。結果表明:該餾出物管道開裂是由于焊接質量問題造成的應力腐蝕開裂。

餾出物管道 奧氏體不銹鋼 應力腐蝕開裂

為了提高柴油產品質量，改善產品結構，中國石油哈爾濱石化公司(以下簡稱哈爾濱石化公司)“十一五”期間建設了一套800 kt/a中壓加氫改質裝置。裝置由反應、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)的中壓加氫改質工藝，反應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。加氫改質裝置以催化柴油和常減壓蠟油為原料，主要產品是輕柴油、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裝置在生產過程中，發(fā)現(xiàn)反應器餾出物管道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為TP321，規(guī)格分別為φ355.6 mm×35.7 mm和φ48.26 mm×7.14 mm，管道內介質為混氫油，設計壓力13 MPa，操作壓力9.5～10.5 MPa，工作溫度低于400℃。泄漏點呈2～3 mm小孔，開始判斷為砂眼。現(xiàn)場迅速停車搶修，在停車后對失效部位進行打磨，試圖消除砂眼后進行補焊處理，但隨后發(fā)現(xiàn)焊縫內部存在穿透裂紋，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所切割下來的管道主管段部分以及接頭部分進行分析。

2.1 表面宏觀檢查及無損檢測

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行檢查通過宏觀檢查及無損檢測未見管道內表面有裂紋。

2.2 化學成分分析

為確認小接頭和管道的材質成分，對引壓接管管接頭的材質進行了化學成分分析，其結果見表1。根據(jù)表1分析結果可看出，小接頭的化學成分符合TP321材質標準要求。

表1 化學成分分析測試結果 w，%

2.3 常溫拉伸試驗

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

表2 常溫拉伸試驗結果

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

2.4 材料標準夏比V形缺口沖擊試驗

為判斷材料的沖擊力學性能是否正常，并為失效分析提供基礎數(shù)據(jù)，從管段母材部位上取樣進行標準夏比V形缺口沖擊試驗，取樣位置為遠離裂紋部位的區(qū)域。沖擊試驗結果見表3，母材沖擊力學性能符合要求。

表3 夏比V形缺口沖擊試驗結果

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見圖1和圖2。

圖1 管道2-P-11001取樣點

圖2 接頭取樣點

2.5.2 金相組織分析結果

(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，有結晶粒度均勻正常，組織形態(tài)良好。相對焊縫區(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，對結構力學性能不會有明顯影響。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

通過對裂紋進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展，由于管道接頭部位的焊縫在搶修時被打磨下去大部分，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，對擴展方向只能是做初步估計。通過對焊縫區(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像對比可以看出，上述部位晶體無明顯的成分及結構偏析。通過對裂紋內腐蝕產物分析可以發(fā)現(xiàn)裂紋內腐蝕產物中S元素含量很高，F(xiàn)e元素也較高見圖8。

圖8 裂紋1腐蝕產物能譜分析

3 結果分析與討論

通過一系列試驗分析可以排除母材質量造成裂紋的可能性。首先通過無損檢測可以判斷裂紋沒有貫穿母材。對連接支管用的小接頭和母材的材質經(jīng)化學成分分析、力學性能試驗(拉伸和沖擊試驗)，所得試驗結果符合材料要求。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影響管道焊接接頭的抗拉強度，只會對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于在焊縫區(qū)域存在不連續(xù)相，會導致局部形成嚴重的應力集中。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力腐蝕開裂的萌發(fā)源，或者對裂紋的擴展過程起到推動作用［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，這個區(qū)域材料的結晶被沿一定方向被拉長，即這個區(qū)域可能存在較高水平的焊接殘余應力。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致較大的熱應力作用在焊接接頭區(qū)域，并形成較大的焊接殘余應力。殘余應力對裂紋的發(fā)生和擴展有推動作用［2］。

通過對裂紋進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力腐蝕開裂的特征。通過對裂紋內腐蝕產物分析可以發(fā)現(xiàn)裂紋內腐蝕產物中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散滲透，因而硫化氫腐蝕就不斷進行。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力水平較高的內部某部位(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量造成的應力腐蝕開裂。以焊接過程中產生的殘余應力為應力源，加上環(huán)境介質及使用溫度的作用形成應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)于黑龍江大學化學專業(yè)。現(xiàn)在中國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

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