加氫裂化裝置導淋閥短接開裂原因分析

金聚慧,劉 波，呼立紅，王新凱

(1.中國石油撫順石化公司 遼寧 撫順 113008;2.沈陽中科韋爾腐蝕控制技術有限公司 遼寧 沈陽 110180)

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加氫裂化裝置導淋閥短接開裂原因分析

金聚慧1,劉 波1，呼立紅2，王新凱2

(1.中國石油撫順石化公司 遼寧 撫順 113008;2.沈陽中科韋爾腐蝕控制技術有限公司 遼寧 沈陽 110180)

某石化公司的加氫裂化裝置導淋閥連接管(短接管)發生開裂。通過宏觀觀察、材質分析、金相檢驗、電鏡觀察和能譜分析等手段，對連接管開裂的原因進行了檢測分析。結果表明，連接管開裂的主要原因是焊接質量問題，焊接組織中含有氣孔等缺陷，同時出現了焊接冷裂紋；另外由于腐蝕性介質和焊接殘余應力的作用，發生了硫化物應力腐蝕開裂作用。

加氫裂化 導淋閥短接 應力腐蝕開裂 冷裂紋

1 基本情況

某石化公司加氫裂化裝置熱高分減壓罐至高中壓罐之間導淋閥上部閥本體連接管(短接)發生斷裂。該閥門生產采用美國ASME標準，為楔式閘閥，閥體及內件材質為合金鋼，閥本體連接管線材質為P22(2.25Cr1Mo)，閥體為整體鍛件，操作壓力為15.0 MPa、操作溫度250 ℃、介質生成油(尾油和柴油)。2011年10月檢驗合格， 2012年8月投產使用至2013年1月18日發現故障。檢查保溫伴熱都正常。接管尺寸為φ27 mm×6 mm。 為了分析連接管發生斷裂的原因，特進行了一系列的檢測分析。

2 檢測分析

2.1 宏觀觀察

宏觀觀察到斷裂部分占管徑近三分之二的區域，斷裂區域近焊縫處于熱影響區附近(見圖1)。通過切割取樣，部分斷口見圖2。在距離內表面約0.5 mm厚度位置，整個管線層狀剝離，與內表面部分分開，從左側剝離部分斷面可以看出，放射性條紋的聚攏點，即裂紋源位于兩條管線焊接的交界處，即靠近內表面端，裂紋逐步向外表面擴展，剝離的部位即是沿著原焊接部位整個環向開裂的。斷口表面未見明顯的腐蝕產物附著。

2.2 材質分析

表1所示為開裂的短接、未開裂短接的材質以及閥體的材質分析結果。從表1可以看出，三個樣品的材質均符合標準化學成分的規定，材質合格。

圖1 短接管宏觀形貌

圖2 斷口宏觀形貌

2.3 金相檢驗

短接縱截面(有焊肉)部分的金相組織檢驗結果(見圖3)可見兩條明顯的粗大裂紋，兩條均存在于焊縫中，未擴展到內表面或者外表面，兩條裂紋之間已有小裂紋使之聯通，從兩條裂紋的存在位置進一步證明了裂紋的起裂位置位于材料內部。焊接局部并未焊透，同時在裂紋的下方能看見兩個較大的氣孔(見圖4)。

表1 材質分析結果 w,%

圖3 短接焊縫縱截面金相組織

圖4 短接近外表面區域的組織

熔合不理想的組織(見圖5)，圖5可以說明焊接的部分區域存在焊接質量問題。裂紋附近區域，即焊縫熱影響區的金相組織見圖6。由圖6可以看出其金相組織為鐵素體和回火索氏體，組織較粗大。

圖5 熔合線區域組織

圖6 裂紋側金相組織

焊縫組織見圖7，主要為奧氏體和鐵素體。母材金相組織見圖8，主要為貝氏體和鐵素體。

圖7 焊縫組織

圖8 母材組織

2.4 電鏡觀察

斷口的微觀形貌見圖9，可見斷裂形式主要為穿晶解理斷裂。另斷口表面有少量的腐蝕產物附著，并可見二次裂紋。

圖9 斷口微觀形貌

2.5 能譜分析

表2所示為斷口的斷面上不同區域的表面能譜分析結果，可以看到除了金屬的本體元素外，主要含有的成分一類為腐蝕相關元素，O和S，另一類為鹽類介質元素。其中，斷口表面硫元素含量較高。

表2 斷口表面成分分析

3 分析與討論

從短接及閥體的材質分析結果可以看出，材質符合標準成分規定，材質合格，因此可以排除材質不合格對斷裂的影響。

從宏觀的斷口形貌可以看到起裂位置在焊接的兩個母材的接觸面上，即為焊接預留的接管的臺階上。金相縱截面的形貌可以看出，斷裂是在焊縫及熱影響區，并且沿著原焊接的兩個母材接觸的環面開裂并剝離的。從縱截面也可以看到，有明顯未焊透的區域，焊縫與母材的交界位置存在氣孔等缺陷，部分區域的焊縫熔合線位置熔合的也不完全，以上情況可充分說明閥本體接管的焊接存在質量問題，并且由于未焊透等缺陷，使接管內的介質可充分的沿著未焊透部位的縫隙與焊縫直接接觸。

電鏡觀察到微觀斷口形貌，主要為脆性斷裂，屬穿晶解理斷裂類型，并且有少量腐蝕產物，可見二次裂紋。從斷口表面可以檢測到含量相對比較高的硫元素，同時斷裂位置為焊接位置，存在殘余應力的影響，因此，可以推斷斷裂機理為硫化物引起的應力腐蝕開裂。在金相檢驗過程中，也觀察到了焊縫內有未穿透的裂紋，這種裂紋存在于焊縫內，未與介質直接接觸，因此這種裂紋不是應力腐蝕開裂引起的，而是焊接裂紋。

應力腐蝕開裂是工程材料中一種常見的材料損傷和失效模式，合金在機械力和環境因素的共同作用下引起材料的脆化，導致材料在無任何塑性預兆的情況下突然發生斷裂，這種破壞稱為應力腐蝕開裂(SCC)，通常SCC需要具備三個條件：

(1)特定的對應力腐蝕開裂敏感的組織結構條件；

(2)與材料相對應的介質環境組合；

(3)存在拉應力，拉應力越大，斷裂所需要的時間越短，一般都不超過材料的屈服強度。

從以上的分析可以看出，閥門短接的斷裂完全具備以上三個條件，首先焊縫組織主要是奧氏體組織，介質中含硫，并且由于焊接質量問題，導致介質可以與焊縫區域充分接觸，具備了介質條件，同時存在焊接殘余應力，因此使發生硫化物的穿晶應力腐蝕開裂(TGSCC)具備了條件。

由于母材及近焊縫組織屬于一種淬硬組織，其組織穩定性及抗氧化性較好，但也具有一定的冷裂傾向和再熱裂紋傾向。再熱裂紋一般會在運行溫度為500～700 ℃產生，可見閥門短接的運行并不在此溫度區間內，因此在金相檢查中觀察到的焊縫及熱影響區內的非起源于接管焊接臺階上的裂紋應為焊接冷裂紋。

產生冷裂紋的原因是淬硬的顯微組織、氫的聚集和一定的焊接殘余應力。焊縫及近焊縫區域易產生淬硬組織，是因為在碳、鉻等合金元素的作用下，鋼材的臨界冷卻速度降低，奧氏體的穩定性增加，在一般的焊接冷卻速度下，不易發生正常的珠光體轉變，從而冷卻到較低溫度時發生了馬氏體轉變。在粗晶區域，其冷裂的敏感性更大，在裂紋一側即符合這一描述。氫是造成冷裂紋的重要因素，氫的來源主要是焊接材料及坡口表面帶入熔池的水分和油污等。氫在奧氏體的溶解度比在鐵素體要大得多，當焊縫金屬已經轉變成珠光體，而熱影響區還在奧氏體時，氫則從焊縫向熱影響區擴散。同時，氫在鐵素體的擴散速度很快，在奧氏體擴散較困難，因此，擴散到熱影響區的氫就聚集在離熔合區不遠的奧氏體組織里，使熔合區附近的部分熔化區形成了較強的冷裂傾向。焊接殘余應力的來源一是焊接接頭內部存在的應力，包括由于焊接時熱量分布不均勻造成的溫度應力和由于相變形成的組織應力；二是外部應力，包括剛性約束條件、焊接結構的自重、工作負荷等引起的應力，因此導致局部地區產生塑性變形，所以殘余應力總是存在的。特別是當焊縫中有未熔合、未焊透等缺陷時，就會在局部造成較大的應力集中，導致冷裂紋的產生。

4 結 論

(1)閥門短接的材質合格，斷裂失效與材質無關；

(2)短接斷裂的主要原因為硫化物應力腐蝕開裂，焊縫及近焊縫區域內部可見的未穿透裂紋為焊接冷裂紋；

(3)產生應力腐蝕開裂及焊接冷裂紋的主要原因是由于焊接質量問題，即焊縫存在未焊透和內部氣孔等焊接缺陷。

(編輯 王菁輝)

Cause Analysis of Cracking of Draining-valve Short Connector in Hydrocracking Unit

JinJuhui1,LiuBo1,HuLihong2,WangXinkai2

(PetroChinaFushunPetrochemicalCompany,Fushun113008，China;ShenyangZKwellCorrosionControlTechnologyCo.,Ltd.,Shenyang110180,China)

The cracking occurred in the draining-valve short connector in the hydrocracker. The causes of cracking are analyzed by macro observation, material analysis, metallographic testing, SEM observation and energy spectrum analysis. The results show that the main cause of cracking of connection pipe is the poor welding quality. The welds have defects like air pores and cracks as well as cold cracking. In addition, the corrosive media and residue stress of welding have accelerated sulfur stress corrosion cracking.

hydrocracking, draining-valve short connector, stress corrosion cracking, cold cracking

2016-05-21；修改稿收到日期：2016-06-28。

金聚慧，高級工程師，碩士，現任該公司石油二廠機動工程部部長，E-mail:jinjuh@petrochina.com.cn