常減壓蒸餾裝置減壓爐進料彎頭泄漏原因分析與建議措施

(中國石化青島煉油化工有限責任公司,山東 青島 266555)

某公司位于沿海地區(qū)，在2019年12月對其常減壓蒸餾裝置進行檢修時發(fā)現(xiàn)減壓爐第8路進料彎頭出現(xiàn)泄漏。彎頭材質(zhì)為304不銹鋼，規(guī)格為公稱直徑DN150，設(shè)計壁厚6.5 mm，工作介質(zhì)為常底渣油，硫含量較高。工藝條件為壓力1.5 MPa，溫度350 ℃。彎頭于2008年投用，經(jīng)歷過三次大檢修。為了查明彎頭泄漏的原因，對彎頭進行了理化檢驗和分析，并提出了相應(yīng)的建議措施。

1 理化檢驗

1.1 滲透檢測

對彎頭進行滲透檢測(PT)，如圖1所示，彎頭上有三處裂紋密集區(qū)，其中小R側(cè)母材上有兩處，1號區(qū)域穿透裂紋面積約為100 mm(環(huán)向)×50 mm(軸向)，2號區(qū)域內(nèi)外啟裂裂紋面積約為60 mm(環(huán)向)×50 mm(軸向)，3號區(qū)域外啟裂裂紋面積較小，距離焊縫約40 mm處。

圖1 彎頭滲透檢測情況

檢測彎頭內(nèi)壁發(fā)現(xiàn)，只有1號區(qū)域存在明顯的腐蝕坑。裂紋只存在于彎頭母材，基本呈網(wǎng)狀，內(nèi)壁裂紋深度大于外壁裂紋深度，彎頭開裂部位未見有明顯的塑性變形，表現(xiàn)出脆性斷裂特征。

1.2 壁厚檢測

對彎頭進行壁厚檢測，發(fā)現(xiàn)壁厚最小處位于大R側(cè)靠近直管段位置，其壁厚為6.28 mm，考慮到彎頭設(shè)計壁厚為6.5 mm，且運行時間較長，可以斷定彎頭整體上并無嚴重的腐蝕減薄現(xiàn)象。

1.3 化學(xué)成分分析

在彎頭上取樣進行化學(xué)成分分析，結(jié)果見表1。分析結(jié)果表明：除了碳含量稍高以外，其他元素含量均符合相關(guān)標準要求。

1.4 拉伸性能測試

在彎頭上取樣進行軸向拉伸試驗，并取重新固溶處理后的試樣進行對比，結(jié)果表明：兩種試樣的拉伸性能均能滿足相關(guān)標準的要求，但試樣經(jīng)固溶處理后其塑性指標提高。

1.5 金相檢驗

從圖1中1號、2號和3號裂紋區(qū)域軸向截取試樣進行金相檢驗，如圖2所示。由圖2可見，裂紋擴展方向基本與內(nèi)外表面垂直，呈典型的沿晶裂紋擴展特征，局部可見晶粒脫落現(xiàn)象，具有明顯的晶間腐蝕開裂特征。同時，試樣未經(jīng)固溶處理前其金相組織為奧氏體，未見有孿晶組織，但晶粒大小不均，存在混晶組織，晶界較寬，而試樣經(jīng)固溶處理后金相組織正常。

表1 化學(xué)成分分析結(jié)果 w，%

圖2 裂紋區(qū)金相組織

1.6 硬度檢測

硬度檢測結(jié)果表明，彎頭母材試樣未經(jīng)固溶處理前其硬度偏高且不均勻(231.2～316.2 HV)，而經(jīng)過固溶處理后其硬度正常且均勻(162.7～176.4 HV),另外，金屬焊縫、直管母材和熱影響區(qū)的硬度也在正常范圍之內(nèi)。

1.7 能譜分析

從圖1中1號、2號和3號裂紋區(qū)域截取試樣進行能譜分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)1號區(qū)域的外壁和內(nèi)壁裂紋區(qū)主要有O，S和Na元素；2號區(qū)域與3號區(qū)域的外壁裂紋區(qū)主要有O，S和Cl元素，而內(nèi)壁裂紋區(qū)主要有O和S元素。

1.8 晶間腐蝕試驗

在彎頭上取樣進行晶間腐蝕試驗，并取經(jīng)過固溶處理的試樣進行對比，晶間腐蝕試驗后試樣的宏觀形貌見圖3。由圖3可見，未經(jīng)固溶處理的試樣具有明顯的晶間腐蝕傾向，而經(jīng)過固溶處理的試樣其晶間腐蝕傾向明顯減弱。

圖3 晶間腐蝕試驗后試樣的宏觀形貌

2 分析與討論

基于以上檢測和分析可知：304不銹鋼彎頭未出現(xiàn)嚴重的減薄現(xiàn)象；除了碳含量偏高以外，其他的化學(xué)成分均在合格范圍之內(nèi)；拉伸性能良好，抗晶間腐蝕的能力較弱。

對于304不銹鋼，碳含量對其耐蝕性能具有較大影響。碳含量偏高會造成材料的塑性降低，脆性增強，在承壓時易發(fā)生脆性斷裂，并且在高溫環(huán)境中也容易發(fā)生碳化物析出，即敏化。

該304不銹鋼進料彎頭未經(jīng)過充分的加工處理及固溶處理，材料硬度不均勻，力學(xué)性能較差，出現(xiàn)材料的敏化現(xiàn)象。對于304不銹鋼，由于晶界上碳化物的析出，造成其相鄰部分的鉻含量降低，形成貧鉻區(qū)，而貧鉻區(qū)的耐蝕性較差，在某些腐蝕介質(zhì)中易發(fā)生腐蝕[1]。彎頭外壁發(fā)現(xiàn)了氯元素，表明彎頭外部存在氯離子腐蝕環(huán)境。這與裝置所處的海洋性大氣環(huán)境有關(guān)，海邊多雨多霧，彎頭外保溫棉中易滲入雨水和鹽分，隨著管道的運行，鹽水在管道表面會不斷地濃縮，形成高濃度的鹽溶液。奧氏體不銹鋼對氯離子的應(yīng)力腐蝕很敏感，少量氯離子就可能導(dǎo)致不銹鋼的應(yīng)力腐蝕開裂[2]。

此外，該彎頭為應(yīng)力集中區(qū)域(如圖4所示)，彎頭承受控制閥及直管的重力載荷，在軸向產(chǎn)生較大應(yīng)力，同時彎頭本身要承受介質(zhì)產(chǎn)生的內(nèi)壓。因此，彎頭受內(nèi)外應(yīng)力的同時作用，使其發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂。

綜合上述分析討論可知，該304不銹鋼彎頭泄漏的主要原因在于：彎頭未經(jīng)過充分的加工處理及固溶處理，導(dǎo)致材料力學(xué)性能較差，出現(xiàn)嚴重的材料敏化現(xiàn)象，且由于材料碳含量偏高，易發(fā)生脆性斷裂。另外，彎頭長期處于海洋性大氣環(huán)境中，易發(fā)生嚴重的氯離子腐蝕，在承受內(nèi)外應(yīng)力的情況下，彎頭發(fā)生了晶間應(yīng)力腐蝕開裂。

3 建議措施

為了降低304不銹鋼彎頭泄漏帶來的生產(chǎn)風(fēng)險，建議采取以下措施：

(1)對304不銹鋼彎頭進行硬度檢測和超聲測厚等檢測，檢查其余彎頭是否存在材料缺陷和壁厚減薄情況，以便采取預(yù)防性維護措施，避免泄漏再次發(fā)生。

(2)為了隔離鹽霧環(huán)境，降低腐蝕性介質(zhì)的影響，對管路系統(tǒng)表面進行清洗，并涂刷專用防銹漆[3]。

(3)對于彎頭泄漏和減薄等形式的失效，采取包盒子或更換配件等措施進行處理，及時消除隱患。

(4)降低劣質(zhì)油摻煉比例，降低原料中的硫含量，做好工藝防腐蝕工作。

(5)定期檢測與在線監(jiān)控相結(jié)合，不間斷地監(jiān)控工藝介質(zhì)和彎頭壁厚等參數(shù)的變化，以便及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備異常情況，及時消除設(shè)備隱患。

4 結(jié) 語

在環(huán)境介質(zhì)和內(nèi)外應(yīng)力的共同作用下，304不銹鋼彎頭因材料缺陷而產(chǎn)生的晶間應(yīng)力腐蝕開裂現(xiàn)象十分普遍，相關(guān)的制造和使用單位都應(yīng)該予以高度重視，在制造和使用304不銹鋼彎頭的過程中，都應(yīng)該嚴格遵守相應(yīng)的規(guī)范和標準，做好質(zhì)量檢測，防止不合格產(chǎn)品被安裝使用，留下安全隱患。同時，在海洋性大氣環(huán)境中使用奧氏體不銹鋼彎頭時，彎頭易發(fā)生嚴重的氯化物應(yīng)力腐蝕開裂現(xiàn)象，因此，建議采取多種措施提高設(shè)備本質(zhì)安全水平，保障生產(chǎn)裝置長周期穩(wěn)定運行。