柴油加氫反應器差壓變送器三閥組平衡閥失效分析及防護

譚帥,柴保群

(中國石油化工股份有限公司洛陽分公司,河南 洛陽 471012)

某石化公司2.6 Mt/a柴油加氫精制裝置于2010年10月16日一次開車成功。2022年11月13日,反應器R3401頂部床層差壓變送器PDI4219三閥組平衡閥閥體連接螺紋根部發生斷裂,造成反應系統油氣從閥體脫落的安裝孔處泄漏,嚴重影響裝置的安全穩定運行。

1 現場情況及閥體外觀

經查找相關原始資料,該平衡閥于2010年10月投用,閥體材料為304不銹鋼,累計運行時間超過12年。介質為氫氣(混合氫)+油氣混合物,溫度338 ℃、壓力7.3 MPa,介質中含有一定量的硫化氫。

該平衡閥閥體結構簡圖如圖1所示。斷裂的部位為連接螺紋根部,是構件外形突然變化或容易應力集中的地方,斷裂截面壁厚約1.5 mm。三閥組平衡閥外觀如圖2所示,斷裂部位外觀如圖3所示。

圖1 平衡閥閥體連接螺紋結構

圖2 三閥組平衡閥外觀結構

圖3 閥體斷裂部位外觀

將平衡閥拆卸開進行宏觀檢查,僅分析閥體開裂部分,如圖4所示。由圖4可見斷口表面存在較多雜質,螺紋絲扣局部扭曲變形,閥體未見明顯腐蝕或減薄;斷口呈金屬光澤且表面粗糙,存在放射花樣,斷裂開始于圖4(a)右下角內側較為平坦的部位,沿圖4(a)逆時針方向外撕裂,最終在圖4(a)正下方變形部位處斷裂。

圖4 閥體斷口宏觀形貌

2 檢測分析

經查閱文獻[1],某石化煉油廠新焦化穩定塔流量變送器三閥組平衡閥在使用過程中發生的斷裂與該文中平衡閥斷裂位置相似,可作參考。

2.1 材質分析

為進一步分析閥體斷裂的原因,對閥體取樣進行化學成分分析,分析結果見表1所列。從表1 可以看出,閥體成分中P含量偏高,而Cr含量偏低,不符合GB/T 20878—2007《不銹鋼和耐熱鋼牌號及化學成分》的要求,其鋼成分偏差值亦不符合GB/T 222—2006《鋼的成品化學成分 允許偏差》的要求。

表1 閥體材質分析測試結果

2.2 金相分析

取閥體斷裂下來的螺紋部分在顯微鏡下進行金相分析,斷口橫截面位置附近金相組織如圖5所示。從圖5可以看出,裂紋呈沿晶開裂,其金相組織主要為奧氏體,奧氏體晶界處有較多的碳化物析出。從圖5(b)可以看出,金屬的組織結構不均勻,部分碳化物連成線狀,具有方向性。圖5(c)和(d)顯示,奧氏體晶界處的碳化物較多,部分區域晶界明顯變寬,并連成網狀。

圖5 斷口附近金相組織形貌

圖6為遠離斷口部位閥體橫截面上的金相組織形貌。從圖6可見,該區域存在條帶狀的碳化物組織,金相組織不均,部分區域碳化物較為集中且呈線狀。

圖6 遠離斷口處金相組織形貌

2.3 硬度分析

取金相試樣對閥體橫截面(金屬內部)進行硬度分析,硬度值見表2。從表2可知,閥體金屬硬度值顯著高于標準要求。

表2 閥體硬度分析測試結果

為了進一步確認閥體材料硬度,對閥體六棱面處進行了硬度檢測分析,其硬度值見表3。從表3可以看出,閥體外表面硬度值也顯著高于GB/T 24511—2017標準要求。

表3 閥體硬度分析測試結果

2.4 能譜分析

對斷口表面進行能譜分析。經超聲波酒精清洗后的試樣能譜分析結果見表4。從表4可知,能譜分析處斷口表面存在大量的硫化物和氧化物,未發現Cl-存在。

表4 酒精清洗后試樣能譜分析

繼續使用硝酸酒精溶液對斷口表面進行超聲波清洗,清洗后試樣的能譜分析結果見表5。由表5可知,使用4%硝酸酒精溶液超聲波清洗后未發現S元素。

表5 硝酸酒精清洗后試樣能譜分析結果

2.5 電鏡分析

斷口經硝酸酒精清洗后進行掃描電鏡掃查,其斷口形貌如圖7所示。從斷口掃描電鏡形貌分析,斷口呈冰糖塊狀脆性特征,呈沿晶開裂,部分區域沿晶界面存在微裂紋。

圖7 電鏡斷口形貌

3 失效原因探討

檢測分析結果表明:宏觀檢查發現斷裂部位開始于閥體內表面,金相分析可知開裂部位僅有一條主裂紋;掃描電鏡結果證實為沿晶開裂,同時斷口表面能譜分析未發現Cl離子存在,且裂紋呈沿晶開裂特征。由此可排除由于雨水侵入或介質中存在Cl離子發生氯化物應力腐蝕開裂的可能。

進一步觀察分析可知:斷口的金相分析表明裂紋形貌屬于沿晶斷裂,金屬的金相組織不均勻,存在條帶狀碳化物,條帶狀的碳化物組織在應力的作用下容易形成裂紋源;裂紋附近的金相分析可見,奧氏體晶界處析出的碳化物較多,部分區域晶界明顯變寬,并連成網狀,考慮可能存在晶界腐蝕。

閥體所用材料為304不銹鋼,在材質分析時發現材料中的P含量偏高,高出標準值較多,而P元素含量偏高,會增加金屬材料的脆性,降低材料的塑性,同時會提高金屬的硬度。為了進一步驗證金屬的硬度值是否符合標準要求,對該閥體橫截面內表面和閥體外表面均進行了硬度檢測,試驗測得的硬度值均顯著高于標準要求。金屬的硬度值偏高,往往導致材料的塑性降低,使材料容易發生脆性斷裂。從斷口的宏觀形貌分析,斷口大部分區域未見明顯變形,屬于脆性斷裂;掃描電鏡的分析結果驗證屬于脆性沿晶斷裂,部分區域沿晶界面存在微裂紋。

目前,較好的螺紋加工方式為滾壓式螺紋加工,無退刀槽,可確保螺紋強度更高,閥座有效壁厚更優,缺陷少,無應力薄弱點。而咨詢三閥組生產廠家,該平衡閥螺紋結構加工方式為車削加工,有退刀槽,易造成缺陷、損傷,形成潛在的應力薄弱點,長期在含硫、氫等環境下運行,應力積聚,裂紋逐漸擴展,強度降到一定程度后裂紋迅速擴展,最終造成閥體連接螺紋處斷裂。實際上,斷裂部位在螺紋根部,是結構不連續的部位,且是閥體壁厚尺寸最小的部位,內外表面斷裂截面厚度僅 1.5 mm,并且斷裂截面處有溝槽,溝槽的轉角半徑不足 0.3 mm,該部位應力集中程度最高。

受限于閥體尺寸較小等原因,材料的沖擊韌性試驗和抗拉試驗尚未開展,材料的力學性能還有待進一步驗證。

4 結論及建議

4.1 結 論

(1)閥體材料不符合標準要求,材料中P元素偏高,而Cr含量偏低。P元素偏高會導致材料塑性下降,脆性增加;材料的硬度值明顯高于標準要求,硬度值偏高是材料脆性增加的表征,脆性較高,更容易發生開裂。

(2)閥體斷裂部位應力集中程度較高,使得該部位處于較高的應力水平。同時閥體材料組織結構不均,存在條帶狀的碳化物組織,而條帶狀的碳化物組織往往較容易形成裂紋源。

(3)開裂部位存在晶界變寬情況,存在晶間腐蝕,在晶間腐蝕作用下,該部位易發生晶間應力腐蝕開裂;同時閥體材料不符合標準要求,組織中存在條帶狀碳化物,進一步加速開裂的發生。

4.2 建議防護策略

(1)對同批次變送器的三閥組、二閥組進行全面梳理排查,提報計劃,待配件到貨驗收合格后,逐臺對同批次三閥組進行更換。

(2)在進行打壓及零點漂移校驗等檢維修作業時,使用定力矩扳手緊固,避免使薄弱截面的應力超過平衡閥的承載能力。

(3)與生產廠家對接,優化改進三閥組閥體結構設計方案,且在物資采購時,要求供應商嚴格執行相關標準規范。

(4)該類型差壓變送器在石油石化行業應用廣泛,維保單位及管理單位對此類問題應充分認識,引起重視,后續要在儀表選型、物資采購、質量驗收、檢維修管理以及操作培訓等多方面加強管理,杜絕此類問題發生。