旋轉(zhuǎn)閥波紋管失效原因分析

蔣小東

(中國(guó)石化上海石油石化股份有限公司芳烴部，上海 200540)

中國(guó)石化上海石油化工股份有限公司(以下簡(jiǎn)稱上海石化)芳烴部4#芳烴吸附分離裝置采用美國(guó)環(huán)球油品公司(UOP)Parex專利技術(shù)，將對(duì)二甲苯與其同素異構(gòu)體分開，得到純度不低于99.8%的對(duì)二甲苯。旋轉(zhuǎn)閥S-601A/B為該裝置的核心設(shè)備，主要由驅(qū)動(dòng)裝置、拱頂、轉(zhuǎn)子板、定子板及床層管線等組成，其中轉(zhuǎn)子板上焊接7根物料跨接管線，并在管線上安裝波紋管膨脹節(jié)，轉(zhuǎn)子板座落于定子板上，轉(zhuǎn)子板同定子板之間由材質(zhì)為聚四氟乙烯的墊片隔離，定子板同轉(zhuǎn)子板跨接管線聯(lián)通。該設(shè)備于2009年9月投入運(yùn)行，操作壓力為1.2 MPa，溫度為173 ℃。2019年9月，發(fā)現(xiàn)B閥壓力下降至1.02 MPa，同時(shí)進(jìn)出流量差2.3 t/h，因此判斷B閥內(nèi)漏。2020年2月18日，裝置停車檢修，轉(zhuǎn)閥解體后發(fā)現(xiàn)進(jìn)料管波紋管已破損，在整體更換轉(zhuǎn)子板備件后，裝置恢復(fù)正常生產(chǎn)。

1 檢測(cè)和分析

將破損波紋管從轉(zhuǎn)子板上切除后進(jìn)行失效分析。

1.1 宏觀形貌檢查

對(duì)旋轉(zhuǎn)閥外壁進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)外表面有2條環(huán)向裂紋，軸向相距約120度方位，位于波紋管兩端波紋上，沿波峰和側(cè)面擴(kuò)展，裂紋環(huán)向長(zhǎng)度分別為60 mm和110 mm，局部有明顯的銹斑。對(duì)波紋管3個(gè)方位延軸向測(cè)量長(zhǎng)度，發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)度變化不明顯。內(nèi)壁導(dǎo)流筒上附有結(jié)垢物，去除導(dǎo)流筒后發(fā)現(xiàn)波紋管內(nèi)壁呈銹斑色，已失去不銹鋼原有的金屬光澤。

1.2 化學(xué)成分分析

從波紋管上取樣進(jìn)行化學(xué)成分分析(見表1)，分析結(jié)果表明，波紋管母材的化學(xué)成分滿足ASTM A240中對(duì)S32100鋼板的要求。

表1 化學(xué)成分(元素質(zhì)量分?jǐn)?shù))分析結(jié)果 %

1.3 金相分析

從波紋管上截取裂紋金相試樣，在掃描電鏡下觀察裂紋的微觀形貌及波紋管內(nèi)外邊緣處的蝕坑形貌，分析部位及微觀形貌見圖1。部位1～5均有裂紋，其中部位3有1處穿透裂紋，其他部位裂紋均是由內(nèi)壁啟裂向外壁擴(kuò)展，裂紋以穿晶擴(kuò)展為主，無(wú)分支，裂紋尖端較鈍,內(nèi)外壁邊緣局部有蝕坑，蝕坑底部及兩側(cè)已萌生疲勞裂紋。

對(duì)波紋管從波峰→波谷進(jìn)行金相組織觀察(見圖2)，發(fā)現(xiàn)奧氏體組織中有變形滑移線，波峰處相對(duì)較多，整個(gè)波紋管的夾雜物較嚴(yán)重，級(jí)別已達(dá)3級(jí)。

圖1 微觀分析部位及形貌

圖2 波峰金相組織

1.4 硬度測(cè)試

對(duì)金相試樣進(jìn)行維氏硬度測(cè)試，波峰處硬度為159.7～179.5，波谷處硬度為108.5～131.5，側(cè)面處硬度為128.4～141.8，均滿足ASTM A240 S32100要求。

1.5 斷口及銹斑表面分析

從波紋管截取裂紋斷口試樣，對(duì)斷口及銹斑表面試樣進(jìn)行清洗后在掃描電鏡下觀察微觀形貌，斷口微觀分析部位見圖3。部位2有兩條與斷口基本垂直的裂紋，部位6為沿晶斷口(疲勞源)，其他部位均為典型的疲勞輝紋斷裂面。

圖3 XM1微觀分析部位及形貌

1.6 能譜分析

對(duì)未經(jīng)清洗的XM1進(jìn)行能譜分析。分析結(jié)果表明，斷口表面腐蝕性元素為O和Cl,其中XM1上Cl元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)5.77%，在疲勞輝紋的斷面上也檢測(cè)到有較高質(zhì)量分?jǐn)?shù)的Cl元素。對(duì)金相試樣上的夾雜物進(jìn)行能譜分析，分析結(jié)果表明，夾雜物主要為TiN。

1.7 X射線衍射分析

從波紋管內(nèi)壁的導(dǎo)流筒上刮取腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行X射線衍射分析，由分析結(jié)果可知，內(nèi)壁導(dǎo)流筒上結(jié)垢產(chǎn)物主要組分為FeCl3、Fe2O3·H2O等。

1.8 點(diǎn)腐蝕試驗(yàn)

對(duì)波紋管取樣進(jìn)行FeCl3腐蝕試驗(yàn)，將試樣分別放入溫度為23 ℃和50 ℃的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%FeCl3溶液中，72 h后取出，觀察試樣失重情況，試驗(yàn)結(jié)果見表2。從表2的結(jié)果中可看出試樣已發(fā)生嚴(yán)重的腐蝕穿孔和金屬脫落現(xiàn)象，而且隨著溫度的升高，試樣對(duì)點(diǎn)蝕的敏感性也隨之增加。

表2 點(diǎn)腐蝕試驗(yàn)結(jié)果

2 開裂原因分析

上述檢測(cè)和分析結(jié)果表明，波紋管上裂紋主要由內(nèi)壁啟裂并向外壁擴(kuò)展，從裂紋擴(kuò)展區(qū)域斷口上可觀察到典型清晰的疲勞輝紋，同時(shí)啟裂部位(即疲勞源處)觀察到腐蝕形成的沿晶斷面(即蝕坑)，波紋管內(nèi)壁其他部位也有蝕坑存在，在蝕坑處可清晰觀察到蝕坑底部及兩側(cè)已萌生疲勞裂紋。能譜分析表明，蝕坑內(nèi)、裂紋縫隙內(nèi)及斷口上均有較高質(zhì)量分?jǐn)?shù)的Cl元素，同時(shí)對(duì)管內(nèi)結(jié)垢物的X衍射分析表明其中有FeCl3的存在。由此判斷波紋管失效是波峰部位發(fā)生了始于氯離子點(diǎn)蝕坑處的疲勞破壞。

奧氏體不銹鋼氯離子點(diǎn)蝕的主要影響因素包括材料、介質(zhì)環(huán)境、溫度等。321屬含穩(wěn)定化元素Ti的奧氏體不銹鋼，在含氯離子的電化學(xué)腐蝕環(huán)境下具有較高的點(diǎn)蝕敏感性，其耐點(diǎn)蝕性能略優(yōu)于304奧氏體不銹鋼，但不如含鉬的316奧氏體不銹鋼[1]。奧氏體不銹鋼的氯離子點(diǎn)蝕屬于電化學(xué)腐蝕，因此介質(zhì)中必須含有一定量的氯離子以及水的存在。旋轉(zhuǎn)閥波紋管內(nèi)介質(zhì)主要成分為C8、C9芳烴，通過(guò)對(duì)介質(zhì)成分采樣，測(cè)得介質(zhì)中氯離子質(zhì)量濃度約0.5 mg/L，含水約2 mg/L。奧氏體不銹鋼點(diǎn)蝕有一個(gè)臨界起始溫度，約為20 ℃，低于該溫度一般不會(huì)發(fā)生點(diǎn)蝕，而旋轉(zhuǎn)閥正常操作時(shí)的溫度為177 ℃，均滿足不銹鋼的點(diǎn)蝕因素。

管道上設(shè)置波紋管的主要作用是依靠波紋管伸縮、彎曲來(lái)對(duì)管道進(jìn)行軸向、橫向、角向補(bǔ)償，從而起到補(bǔ)償吸收熱變形及設(shè)備振動(dòng)對(duì)管道的影響，因此波紋管不可避免要承受交變載荷。根據(jù)研究，不銹鋼最大點(diǎn)蝕深度可達(dá)12.2 μm[2]，金相分析中測(cè)得的波紋管斷口上內(nèi)表面蝕坑最大深度約56 μm，即點(diǎn)蝕裂紋萌生時(shí)間約4.6年。從斷口上測(cè)量疲勞輝紋間距為0.2～0.4 μm(平均約0.3 μm)，波紋管壁厚為350 μm，經(jīng)計(jì)算得知波紋管波峰處疲勞裂紋萌生后經(jīng)歷1 000次左右交變循環(huán)后會(huì)就出現(xiàn)裂紋穿透并導(dǎo)致泄漏的情況。自2014年6月大修至2020年2月波紋管泄漏經(jīng)歷了約5.6年，期間點(diǎn)蝕萌生及發(fā)展成宏觀裂紋耗時(shí)約4.6年，裂紋疲勞擴(kuò)展時(shí)間約1年。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)旋轉(zhuǎn)閥破損波紋管的化學(xué)成分、金相、硬度、斷口、能譜、衍射、點(diǎn)腐蝕等進(jìn)行分析，并結(jié)合設(shè)備實(shí)際運(yùn)行工藝參數(shù)，得出旋轉(zhuǎn)閥S-601B進(jìn)料管線波紋管失效原因是波紋管內(nèi)壁發(fā)生了氯離子點(diǎn)蝕形成腐蝕坑，運(yùn)行中腐蝕坑部位在長(zhǎng)期的交變載荷作用下萌生疲勞裂紋并不斷擴(kuò)展，最終導(dǎo)致膨脹節(jié)破損泄漏。在今后日常運(yùn)行操作中，生產(chǎn)裝置需嚴(yán)格關(guān)注好旋轉(zhuǎn)閥進(jìn)料組成，定期采樣分析，監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，嚴(yán)格控制進(jìn)料成分中氯含量及水含量。若條件允許，可逐步對(duì)波紋管材質(zhì)進(jìn)行更新，采用耐點(diǎn)蝕性能更高的含鉬316不銹鋼，以避免再次發(fā)生波紋管失效現(xiàn)象。