加氫裂化裝置高壓注水線閥門閥體開裂原因分析

呼立紅，金聚慧，楊陽，唐志文

(1.沈陽中科韋爾腐蝕控制技術(shù)有限公司，遼寧 沈陽 110180；>2.中國石油天然氣股份有限公司撫順石化分公司，遼寧 撫順 113008；3.沈陽中科腐蝕控制工程技術(shù)中心， 遼寧 沈陽 110016)

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加氫裂化裝置高壓注水線閥門閥體開裂原因分析

呼立紅1，金聚慧2，楊陽1，唐志文3

(1.沈陽中科韋爾腐蝕控制技術(shù)有限公司，遼寧 沈陽 110180；>2.中國石油天然氣股份有限公司撫順石化分公司，遼寧 撫順 113008；3.沈陽中科腐蝕控制工程技術(shù)中心， 遼寧 沈陽 110016)

某石化公司的加氫裂化裝置熱高分氣混合氫換熱器入口注水線閥門的閥體出現(xiàn)開裂。通過宏觀觀察、金相檢驗、材質(zhì)分析、電鏡觀察等手段進(jìn)行了檢測分析,結(jié)果表明，閥體斷裂的主要機(jī)制為淬火斷裂和疲勞斷裂;發(fā)生斷裂的主要原因是由于閥體內(nèi)的夾雜物含量較高，在加工過程中冷卻速度過快造成淬火裂紋;而后，由于管線的振動，產(chǎn)生交變載荷，使其發(fā)生疲勞斷裂，導(dǎo)致最終的宏觀裂紋。

加氫裂化 閥體開裂 淬火裂紋 疲勞開裂

1 開裂情況

某石化公司加氫裂化裝置熱高分氣冷混合氫換熱器入口注水線閥門，在巡檢時發(fā)現(xiàn)，該閥門閥體上有長約17 cm的裂紋。加氫裂化反應(yīng)生成油在溫度降低后會有銨鹽結(jié)晶析出，容易堵塞管束，故在空冷和換熱器入口注水，洗去銨鹽結(jié)晶。共有5條注水線，但其中一條注水線上的閥門出現(xiàn)裂紋，見圖1。該閥門為楔式閘閥，閥體及內(nèi)件材質(zhì)為1Cr5Mo，閥體為整體鍛件，閘板密封件與閥體為焊接，操作壓力為16.2 MPa。服役3 a后發(fā)現(xiàn)閥體上出現(xiàn)裂紋。為了分析開裂原因，特對該閥門閥體進(jìn)行了檢測分析。

圖1 開裂閥門外觀

2 檢查分析

2.1 宏觀觀察

從圖1可以看出整體裂紋走向較平直，沒有分支小裂紋，裂紋的始端位于閥體變徑處，裂紋末端相對較始端細(xì)小。外表無明顯的塑性變形特征。斷口宏觀上看，斷口整體較平滑，可明顯看到放射狀條紋，放射狀條紋聚攏處即為裂紋源區(qū)域，可見裂紋源位于閥體內(nèi)表面變徑的位置(見圖2)，斷裂是從內(nèi)表面向外表面擴(kuò)展。

圖2 斷口宏觀形貌

2.2 材質(zhì)分析

材質(zhì)分析結(jié)果見表1。由表1可知檢測值均在NB/T 47008—2010《承壓設(shè)備用碳素鋼和合金鋼鍛件》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定范圍內(nèi)，材質(zhì)合格。

表1 閥體材質(zhì)分析結(jié)果 w,%

2.3 金相檢驗

取斷口區(qū)域的閥體橫截面封樣，進(jìn)行金相組織檢驗，見圖3。由圖3可以看出，在閥體內(nèi)部組織中分布有大量的方形的夾雜物，根據(jù)形態(tài)，初步推斷為TiN夾雜。閥體的金相組織主要為鐵素體、馬氏體及碳化物，組織不均勻。

圖3 閥體橫向金相組織

2.4 斷口微觀觀察

利用掃描電鏡對斷口的微觀形貌進(jìn)行觀察，見圖4。從圖4(a)可以觀察到斷口區(qū)域有明顯不同的兩個區(qū)域，右側(cè)斷口能明顯看見大量的韌窩形貌及疲勞輝紋形貌，并且在韌窩間還能看見大量的由于夾雜物脫落留下的黑色空洞。左側(cè)斷口主要呈現(xiàn)脆性特征，斷口形貌以準(zhǔn)解理為主。兩個區(qū)域放大分別為圖4(b)和圖4(c)。從斷口形貌可知，斷裂起源于準(zhǔn)解理斷裂，擴(kuò)展后區(qū)域則為疲勞斷裂形式。圖4(d)圖為疲勞輝紋的放大形貌。

圖4 斷口微觀形貌

3 分析與討論

(1)從宏觀觀察可以看到，裂紋源位于變徑位置，即有夾角的位置，此位置會存在應(yīng)力集中，裂紋整體擴(kuò)展呈縱向分布，裂紋較直而無分叉，裂紋斷口呈放射狀，微觀呈現(xiàn)穿晶類型，因此初步推斷起源位置的裂紋屬于淬火裂紋，而后的疲勞裂紋則起源于淬火裂紋。淬火裂紋是指在淬火過程中或在淬火后的室溫放置過程中產(chǎn)生的裂紋，后者又叫時效裂紋。由于在斷口區(qū)域并未發(fā)現(xiàn)明顯的氧化或脫碳現(xiàn)象，因此該裂紋應(yīng)屬于時效裂紋。

(2)在淬火過程中，當(dāng)淬火產(chǎn)生的巨大應(yīng)力大于材料本身的強(qiáng)度時，便會導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生。淬火裂紋往往是在馬氏體轉(zhuǎn)變開始進(jìn)行后不久產(chǎn)生的，裂紋的分布則沒有一定的規(guī)律，但一般容易在工件的棱角槽口、截面突變處形成。這與宏觀觀察到的起裂位置相吻合。在顯微鏡下觀察到的淬火開裂，可能是沿晶開裂，也可能是穿晶開裂；有的呈放射狀，也有的呈單獨線條狀或呈網(wǎng)狀。

(3)因在馬氏體轉(zhuǎn)變區(qū)的冷卻過快而引起的淬火裂紋，往往是穿晶分布，而且裂紋較直，周圍沒有分枝的小裂紋。因淬火加熱溫度過高而引起的淬火裂紋，都是沿晶分布，裂紋尾端尖細(xì)，并呈現(xiàn)過熱特征。

(4)失效閥門樣品屬于穿晶斷裂，裂紋沒有分支，因此裂紋產(chǎn)生的原因是由于冷卻速度過快造成的，同時閥體斷口能譜分析檢測到斷口表面含有高含量的Ti元素(Ti的質(zhì)量分?jǐn)?shù)15.18%)，與金相組織觀察結(jié)果吻合，說明組織中有大量的TiN夾雜，淬火裂紋容易在夾雜物處起源并擴(kuò)展。

(5)從斷口表面觀察，疲勞裂紋所占面積要遠(yuǎn)大于穿晶準(zhǔn)解理斷裂的面積，因此說明淬火裂紋是誘因，最終的斷裂是管線運行過程中的交變應(yīng)力載荷作用下發(fā)生疲勞造成的。

4 結(jié)論與建議

(1)閥門閥體開裂的原因是淬火斷裂與疲勞斷裂而產(chǎn)生的，裂紋起源于截面突變處的淬火裂紋，而后由于交變應(yīng)力的作用發(fā)生疲勞斷裂。產(chǎn)生淬火裂紋的原因是由于閥體中含有大量的TiN夾雜，成為裂紋源，在制造過程中冷卻速度過快產(chǎn)生原始的淬火裂紋。

(2)防止產(chǎn)生淬火裂紋的主要辦法即是采用合理的淬火工藝，同時，可加強(qiáng)制造后的無損檢測工作，查找出原始裂紋缺陷。合理控制材料質(zhì)量，防止夾雜物數(shù)量超標(biāo)。

[1] 國家能源局.《承壓設(shè)備用碳素鋼和合金鋼鍛件》：NB/T 47008—2010[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2010：5.

(編輯 王維宗)

Cause Analysis of Valve Body Cracking of High-Pressure Water Injection Line in the Hydrocracking Unit

HuLihong1,JinJuhui2,YangYang1,TangZhiwen3

(1.ShenyangZkwellCorrosionControlTechnologyCo.,Ltd.,Shenyang110180,China; 2.PetroChinaFushunPetrochemicalCo.,Fushun113008,China;ZhongkeEngineeringResearchCenterforCorrosionControl,Shenyang110016,China)

In the hydrocracking unit of a petrochemical company, valve body cracking was present on the water injection line of heat exchanger for hot high-pressure separator gas and recycled hydrogen. The cracking was detected and analyzed with the methods of macro observation, metallographic examination, material analysis and electron microscope observation. The results reveal that main mechanism for the cracking contains two parts of quenching fracture and fatigue fracture, and high content of inclusion in the valve body is the main reason that results in the fracture. Quenching fracture was brought about by excessive cooling speed in the course of processing, and then fatigue fracture was incurred by the alternating load due to the vibration of pipeline, which leads to the final macroscopic crack.

Hydrocracking unit, Valve body cracking, Quenching fracture, Fatigue fracture

2016-07-05；修改稿收到日期：2016-08-05。

呼立紅，工程師，碩士，畢業(yè)于大連理工大學(xué)材料化學(xué)專業(yè)，主要從事油田及石油化工設(shè)備的防腐相關(guān)工作。E-mail:hulh81814@126.com