雙相不銹鋼復合板制常壓塔頂封頭內表面開裂原因分析*

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(合肥通用機械研究院有限公司 國家壓力容器與管道安全工程技術研究中心,安徽 合肥 230031)

煉油廠常壓塔頂系統處于HCl-H2S-H2O腐蝕環境[1-2]，對碳鋼表現為均勻腐蝕、局部腐蝕或沉積物下腐蝕，對鐵素體不銹鋼表現為點狀腐蝕，對奧氏體不銹鋼則表現為晶間腐蝕、應力腐蝕開裂。在高酸、高硫原油加工裝置設備和管道設計選材導則中，常壓塔頂封頭和頂部筒體復合板的覆層材質均推薦采用雙相不銹鋼[3]。

雙相不銹鋼(簡稱雙相鋼)是由奧氏體(γ相，體積分數50%～70%)和鐵素體(α相，體積分數30%～50%)兩相組織構成的不銹鋼，比碳鋼具有更好的耐均勻腐蝕、耐局部腐蝕性能，比鐵素體不銹鋼具有更好的耐點蝕性能，比奧氏體不銹鋼具有更好的耐晶間腐蝕和應力腐蝕性能。

某煉油廠雙相鋼爆炸復合板制常壓塔頂封頭在服役4 a后首次檢驗，發現其內表面存在大量裂紋。通過現場檢查和對開裂部位的理化檢驗，結合其服役工況和制造工藝，分析了塔頂封頭開裂的原因，并提出了合理化建議。

1 常壓塔頂封頭內表面開裂情況

該常壓塔于2011年9月投用，2015年12月進行首次定期檢驗，檢驗時發現塔頂封頭內表面對接焊縫及母材存在大量裂紋，裂紋宏觀形貌見圖1和圖2。

塔頂封頭和塔頂筒體(上數5層塔盤)采用Q345R+022Cr23Ni5Mo3N爆炸復合板制造，內徑5 600 mm，復合板厚度14 mm+3 mm，供貨狀態為消除應力+覆層表面酸洗鈍化。

圖1 塔頂封頭內壁母材裂紋

圖2 塔頂封頭內壁焊縫區裂紋

2 缺陷部位理化檢驗

2.1 化學成分

對塔頂封頭內壁母材、塔頂封頭內壁焊縫、頂部筒體母材和頂部筒體焊縫進行化學成分分析，結果見表1。從表1可知，塔頂封頭和頂部筒體使用的雙相鋼爆炸復合板內表面覆層的雙相鋼材質成分合格。

表1覆層材料化學成分

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2.2 金相檢驗

對頂部筒體雙相鋼復合板覆層母材、塔頂封頭雙相鋼復合板覆層裂紋區域進行金相檢驗，金相組織照片見圖3至圖5。

圖3 頂部筒體覆層母材金相

圖4 塔頂封頭覆層母材裂紋處金相

從金相組織照片可以看出：頂部筒體雙相鋼復合板覆層母材金相組織主要是黑色的球狀體(鐵素體)和灰白色的多邊形體(奧氏體)，為典型的雙相鋼金相組織；塔頂封頭雙相鋼復合板覆層金相結構與頂部筒體雙相鋼復合板覆層金相結構確有不同，尤其是在裂紋附近；塔頂封頭裂紋呈樹枝狀向外擴散。

圖5 塔頂封頭覆層母材裂紋形貌

2.3 硬度測定

對塔頂封頭雙相鋼復合板覆層母材、熱影響區、焊縫以及頂部筒體雙相鋼復合板覆層母材、焊縫進行里氏硬度測定，結果見表2。硬度具體檢測位置見圖6。

圖6 塔頂封頭檢測位置

從表2可以看出,塔頂封頭雙相鋼復合板覆層母材硬度(319 HL)和其焊縫硬度(274 HL)均明顯高于頂部筒體雙相鋼復合板覆層母材硬度(287 HL)和筒體覆層焊縫硬度(241 HL)。

2.4 鐵素體含量測定

對塔頂封頭雙相鋼復合板覆層母材、熱影響區、焊縫以及頂部筒體雙相鋼復合板覆層母材、焊縫進行鐵素體含量測定，檢測結果見表3。具體檢測位置見圖6。

表3 覆層材料鐵素體體積分數 φ，%

從表3測定結果可以看出,頂部封頭雙相鋼復合板覆層焊縫的鐵素體體積分數為19.8%,低于頂部筒體雙相鋼復合板覆層焊縫的鐵素體體積分數(22.9%)。

3 開裂原因分析

3.1 常壓塔選材情況與腐蝕分析

3.1.1 選材情況

該煉油廠常減壓蒸餾裝置設計加工原油硫質量分數1.51%、酸值1.0 mgKOH/g，依據相關選材導則的規定，該原油屬高硫、高酸原油。裝置具體選材情況如下：塔頂封頭和頂部筒體(上數5層塔盤)處于HCl-H2S-H2O腐蝕環境，主要損傷機理為鹽酸腐蝕、氯化銨垢下腐蝕、酸性水腐蝕、氯化物應力腐蝕開裂和濕硫化氫環境開裂，故選用雙相鋼復合板，碳鋼基材為Q345R，覆層材質為雙相鋼022Cr23Ni5Mo3N；上部筒體(6至22層塔盤)主要損傷機理為濕硫化氫環境開裂，選用鐵素體不銹鋼復合板，碳鋼基材為Q345R，覆層材質為06Cr13；下部筒體及底部封頭為高溫部位，主要損傷機理為高溫硫/環烷酸腐蝕，選用奧氏體不銹鋼復合板，碳鋼基材為Q345R，覆層材質為022Cr17Ni12Mo2。

3.1.2 腐蝕分析

在塔頂的HCl-H2S-H2O腐蝕環境使用雙相鋼復合板，既能耐鹽酸腐蝕又能耐一定程度的氯化物應力腐蝕開裂，從設計選材角度是滿足工藝要求的。但在首次檢驗中發現大量的裂紋，結合理化檢驗的結果，有兩種可能：一是原始裂紋；二是雙相鋼爆炸復合板在生產或成型過程中發生一定程度的損傷，降低了其本身的耐腐蝕性能。

查閱雙相鋼爆炸復合板原始制造資料，發現雙相鋼爆炸復合板供貨狀態為正火，供貨時對鋼板覆層焊縫及其熱影響區進行100%滲透檢測，全部合格，未發現裂紋。雙相鋼爆炸復合板制塔頂封頭的供貨狀態是消除應力+覆層表面酸洗鈍化。常壓塔安裝時并未發現塔頂封頭內壁及焊縫有原始裂紋。

這也就是說雙相鋼爆炸復合板制塔頂封頭在生產或成型過程中發生了損傷，降低了其耐腐蝕性能，遇到塔頂系統HCl-H2S-H2O腐蝕環境，發生了開裂。

3.2 組織特點和制造工藝分析

3.2.1 雙相鋼組織特點分析

雙相鋼兼有鐵素體相(α)和奧氏體相(γ)的特點，具有優異的力學性能和耐蝕性能，廣泛應用于石油化工、制藥、食品、海洋工程等領域。其不足之處在于成型過程中易于析出第三相，如σ相(Fe-Cr-Mo金屬間化合物)。σ相是一種具有四方結構、富Cr富Mo的脆性相。由于雙相鋼中合金元素含量很高，因此σ相的形成主要通過合金元素的置換擴散以及在鐵素體和奧氏體中的重新分布來實現[4-6]。鋼中出現少量的σ相就會使鋼的韌性和塑性急劇下降，σ相的析出使其周圍組織貧鉻、貧鉬，從而降低其耐蝕性能，導致塔頂封頭易于發生晶間腐蝕和應力腐蝕開裂。

3.2.2 復合板制造工藝分析

塔頂封頭材質為碳鋼+雙相鋼爆炸復合板，在爆炸復合過程中，基層與覆層之間發生高速碰撞，使界面兩側材料局部沖擊硬化，爆炸復合材料內部產生宏觀和微觀的殘余塑性變形，導致雙相鋼中出現了殘余應力。當雙相鋼在300～1 000 ℃進行消除應力熱處理時，如果溫度高，則容易出現σ相、碳化物、氮化物等二次相析出，造成材料脆化；如果溫度低，則殘余應力消除不徹底。這就導致雙相鋼爆炸復合板容易產生殘余應力和析出σ相。該裝置中爆炸復合板制塔頂封頭的供貨狀態是消除應力+覆層表面酸洗鈍化，會留下殘余應力和析出σ相，遇到塔頂HCl-H2S-H2O腐蝕環境， 發生晶間腐蝕和應力腐蝕開裂，造成塔頂封頭內壁出現裂紋。金相檢驗結果驗證了σ相的析出，封頭覆層母材硬度(319 HL)和封頭覆層焊縫硬度(274 HL)均明顯高于筒體覆層母材硬度(287 HL)和筒體覆層焊縫硬度(241 HL)，也與σ相析出會導致雙相鋼硬度提高的現象一致。

4 結論及建議

(1)常壓塔頂封頭處于HCl-H2S-H2O的腐蝕環境，選用雙相鋼復合板，既可以抵抗均勻腐蝕、局部點腐蝕，還可以抵抗應力腐蝕開裂，符合選材要求。然而，爆炸復合板在生產或成型過程中會帶來殘余應力和σ相析出，這不僅會導致雙相鋼硬度上升和塑韌性下降，還會大幅降低其耐腐蝕性能，一旦遇到HCl-H2S-H2O腐蝕環境，則易出現應力腐蝕開裂；

(2)對于常壓塔頂HCl-H2S-H2O腐蝕環境，可以選擇碳鋼為基材，內貼雙相鋼襯里或者整體選用雙相鋼材質，避免雙相鋼爆炸復合板在生產和成型過程出現殘余應力和σ相析出現象，從而防止應力腐蝕開裂發生。