煉油廠裂解裝置冷換設備不銹鋼封頭開裂原因分析*

寧飛升

(石油化工工程質量監督總站,北京 100029)

冷換設備是石油化工裝置的重要工藝設備,是實現物料之間熱量傳遞過程的一類設備。在煉油、化工、食品、制藥和紡織等行業中,冷換設備都有十分廣泛的應用[1]。在煉油廠中,冷換設備的投資約占總投資的35%～40%;在化工廠中,約占總投資的10%～20%[2]。對于生產管理人員來講,冷換設備一直是需要重點控制的設備,因為冷換設備換熱狀況的好壞,直接影響整個裝置的平穩運行。在冷換設備的制造過程中,連接工藝操作是最為頻繁的操作,連接質量的好壞將直接影響整個生產裝置的安全可靠性。

通過殘余應力測試、滲透檢測、測厚、硬度測定、化學成分分析、氫含量測定、拉伸試驗、沖擊試驗、金相分析、斷口分析、能譜分析和斷裂韌性試驗等方法,探明封頭發生開裂的主要原因,并提出控制與改進措施,盡量避免或減少冷換設備泄漏事故的發生。

1 封頭開裂情況

某煉油廠裂解裝置冷換設備于2020年9月28日投用,截至2020年10月4日,在該冷換設備封頭上共發現11處裂紋,其中入口管箱9處,出口管箱2處,具體位置見圖1,裂紋長度為2～5 mm,垂直于管箱筒體與封頭相連的焊縫,且距焊縫10～15 mm。2019年5月12日該臺設備采用新鮮水(氯化物質量濃度小于25 mg/L)進行水壓試驗,試驗后雖將水排凈并用壓縮空氣吹掃,但未進行氮封。設備材質為S30408,規格為殼體內徑900 mm、外徑1 800 mm、封頭厚度20 mm和筒體厚度26 mm,具體的運行參數見表1。

表1 設備運行參數

圖1 冷換設備封頭及裂紋具體位置

2 取樣分析及測試

2.1 取 樣

將入口和出口管箱分別編為1號和2號,分析樣品見圖2。對樣品進行了各種測試及分析以探明封頭發生開裂的主要原因。

圖2 分析樣品

2.2 殘余應力測試

采用小孔法分別對管箱入口和出口的封頭內壁直邊段進行殘余應力測試,測試的具體部位見圖3;共取6個測試點,其中A點和D點選在裂紋附近,測試結果見表2。從表2來看,兩個封頭直邊段的殘余應力水平均較高,特別是裂紋附近(A點和D點)的殘余應力已經接近實測屈服點的殘余應力。

表2 殘余應力測試結果

圖3 殘余應力測試部位

2.3 滲透檢測

分別對1號和2號封頭內壁進行滲透檢測,1號封頭內壁上的裂紋共有9處,裂紋垂直于焊縫,裂紋的一端止裂于焊縫熔合線上,橫向裂紋最長約為45 mm,其中1-JX7裂紋兼有橫向裂紋和縱向裂紋,其縱向裂紋長度約為56 mm,見圖4;2號封頭內壁上的裂紋共有2處,均為橫向裂紋,最長約為12 mm,裂紋的一端也止裂于焊縫熔合線上。

圖4 1號封頭內壁上的裂紋

2.4 測 厚

采用測厚儀對封頭和管箱筒體進行厚度測量,封頭的直邊段、過渡區和頂部的厚度均未見有明顯變化,管箱筒體的厚度也未見有明顯變化。

2.5 硬度測定

對封頭內表面進行全面硬度測定,同時對管箱筒體及焊縫也進行硬度測定,測定結果見表3。由表3可見,封頭從直邊段、過渡段至頂部其硬度呈下降趨勢,封頭直邊段的硬度均在300 HB以上,呈現典型的加工硬化特征,封頭頂部硬度較高,局部已超過標準的上限要求值(201 HB),由于封頭冷成型后未進行固溶處理,局部才會出現明顯的變形硬化現象。

2.6 化學成分分析

分別從封頭母材、焊縫金屬和筒體母材上取樣進行化學成分分析,分析結果見表4。從表4來看,兩個封頭母材化學成分中P含量均超過標準上限的要求值,C含量為標準的上限值;筒體母材的化學成分滿足S30408鋼板的化學成分要求;焊縫金屬的化學成分與筒體母材相匹配。

表4 化學成分分析結果 w,%

2.7 氫含量測定

分別在1號和2號封頭的直邊段和頂部取樣進行氫含量測定,測定結果見表5。結果表明:兩個封頭內部均含有一定量的溶解氫,均屬較低水平,與頂部相比,直邊段內的溶解氫含量略高。

表5 氫含量測定結果

2.8 拉伸試驗

分別在1號和2號封頭直邊段及頂部取樣進行拉伸試驗,試驗結果見表6。結果表明,兩個封頭頂部的拉伸性能指標均滿足S30408的力學性能要求,直邊段的斷后伸長率低于標準要求;與頂部相比,直邊段的抗拉強度和屈服強度有明顯升高,而斷后伸長率有所降低,表現出典型的加工硬化特征;重新對封頭直邊段進行固溶處理后,其拉伸性能得到恢復,指標滿足標準要求。

表6 室溫拉伸試驗結果

2.9 沖擊試驗

分別在封頭的直邊段和頂部截取試樣進行沖擊試驗,試樣尺寸為沖擊試驗標準試樣尺寸,試樣規格為10 mm×10 mm×55 mm,試驗結果見表7。結果表明,無論是1號封頭還是2號封頭,直邊段和頂部的沖擊功均較低,隨著溫度的降低其沖擊功也隨之降低,這表明材料處于脆性狀態,材料的韌性較差;另外,與頂部相比,直邊段沖擊功明顯下降,重新對直邊段進行固溶處理后,其沖擊功大幅度上升。

表7 沖擊試驗結果

2.10 金相分析

分別在1號和2號封頭的直邊段、頂部以及封頭與管箱筒體相連的焊接接頭部位截取金相試樣進行分析。裂紋微觀形貌見圖5,其中1-JX2裂紋是在1號封頭上截取的縱向裂紋,與焊縫平行,啟裂部位位于封頭側焊縫熱影響區,裂紋沿晶擴展,呈樹枝狀,具有典型的應力腐蝕開裂特征;2-JX2裂紋位于封頭內壁側,屬于表面制造缺陷。

圖5 裂紋微觀形貌

1號和2號封頭的金相組織基本相同,封頭的直邊段出現不同程度的變形誘導馬氏體組織,而頂部未見有變形誘導馬氏體組織,屬奧氏體組織,焊縫金屬為奧氏體+鐵素體組織,焊縫熱影響區封頭側的晶粒尺寸要大于筒體側的晶粒尺寸;直邊段經固溶處理后其組織變為正常的奧氏體組織。

無論是在封頭的直邊段還是在頂部均發現大量的微裂紋,這些微裂紋與內表面、外表面平行,集中分布在夾雜物處和鐵素體處,裂紋相互平行,裂紋最長約為0.8 mm。封頭經重新固溶處理后,相互平行的裂紋仍然存在。

2.11 斷口分析

斷口形貌見圖6。從圖6來看,斷口表面平整,存在橫向穿透性裂紋,在內壁焊縫熱影響區存在大量的鐵銹,這表明該區域腐蝕時間相對較長,屬于裂紋的啟裂部位,裂紋由內壁啟裂向外壁擴展,整個斷裂面呈現典型的脆性斷裂特征。金屬表面的制造缺陷顏色較深,與內表面之間呈銳角。另外,微觀形貌分析發現,焊縫金屬和筒體母材上的韌窩較深,而封頭母材上的韌窩較淺,說明封頭母材韌性較差。

圖6 斷口形貌

2.12 能譜分析

采用能譜儀對斷口表面進行微區成分分析,分析結果見表8。斷口表面的主要成分為C,O,Cl、Cr、Ni和Fe元素,鐵銹中的Cl元素含量相對較高。

表8 能譜分析結果 w,%

2.13 斷裂韌性試驗

在封頭的直邊段截取與焊縫方向平行的試樣進行斷裂韌性試驗,斷裂韌性試樣的斷口形貌見圖7。在低溫靜態加載條件下產生的裂紋極易擴展,且擴展極不均勻,試驗所得材料的延性斷裂韌性為53.895 kJ/m2,由此說明材料的韌性較低。

圖7 斷裂韌性試樣的斷口形貌

3 封頭開裂原因綜合分析

理化分析結果表明,封頭直邊段受加工硬化影響,材料塑性和韌性遠低于300系列奧氏體不銹鋼正常狀態,產生了嚴重的材質脆化現象。

斷口分析結果表明,斷口上存在陳舊性斷面區和新鮮斷面區,設備投用前就已存在的裂紋緩慢擴展形成陳舊性斷面區,設備投用后在已有裂紋尖端裂紋快速擴展形成新鮮斷面區,陳舊性斷面區均位于內壁焊縫封頭側熱影響區,且裂紋由此處啟裂,而內壁焊縫筒體側熱影響區及外壁表面均未發現裂紋[3-4]。

由于封頭直邊段在制造成型過程中不僅出現嚴重的材質脆化現象,而且還存在非常高的殘余應力,其殘余應力測試值接近材料硬化后的屈服強度,焊縫封頭側熱影響區為應力集中處,因此,在設備水壓試驗過程中,封頭的該部位可能會受損甚至產生裂紋[5-6]。

設備水壓試驗后未采用氮氣保護,設備于2019年5月送至現場,直到2020年8月才與管線相連進行充氮保護,設備在現場共放置15個月。由于設備長期放置,潮濕大氣循環浸潤造成氯離子在設備內壁局部濃縮,在殘余應力作用下焊縫封頭側熱影響區發生氯化物應力腐蝕開裂。

4 結論及建議

由于封頭直邊段在制造成型過程中出現嚴重的材質脆化現象,殘余應力過高,在設備水壓試驗過程中其應力集中處可能會受損甚至產生裂紋;設備在長期放置過程中可能會發生氯化物應力腐蝕開裂;設備投入運行后,由于封頭直邊段部位韌性不足,在殘余應力和工作載荷的共同作用下,陳舊性裂紋快速擴展,形成穿透性裂紋,最終導致封頭發生泄漏。

為了避免或減少冷換設備泄漏事故的發生,可通過以下措施進行控制與改進:

(1)控制鋼材的加工工藝,減少應力和變形。盡量避免不銹鋼材料的過度加工和冷加工,控制好焊接、滾輥和鍛造的溫度及強度,減少錘擊、沖擊以及機械加工等過程中對不銹鋼材料產生的應力和變形。

(2)降低鋼材中的雜質含量。為了解決不銹鋼的材質脆化問題,采用高純度的材料制備不銹鋼,在生產過程中避免空氣中的氧化物和其他雜質混入。

(3)提高鋼材的晶界強化效果。采用特殊的加工工藝,使鋼材中的細小晶粒之間形成更多的晶界缺陷,從而提高鋼材的晶界強化效果和抗脆性斷裂性能。

(4)提高鋼材的脆性轉變溫度。通過控制金屬的化學成分,特別是C,Cr和Mo等元素的含量,提高鋼材的脆性轉變溫度,降低其在高溫下軟化和脆化的風險。

(5)在冷換設備的進出口段布置監測設備,以便對設備內部壓力加強監測。通過對設備進行定時定點監測,實現對設備狀況的全面掌控。

(6)為保證安全高效生產,必須對冷換設備的應力狀況進行詳細的評價,并進行有效的控制和規范化管理,確定設備是否需要修理或更換,確定設備能否繼續使用以及是否需要降低使用條件。