何家勝 高彎 伍偉

（武漢工程大學機電工程學院）(中石化湖北荊門石油分公司）

催化裝置外取熱器管程出口三通焊縫開裂失效分析

何家勝*高彎 伍偉

（武漢工程大學機電工程學院）(中石化湖北荊門石油分公司）

針對某催化裝置外取熱器管程出口三通焊縫開裂失效的情況，通過化學成分分析、有限元應(yīng)力分析、掃描電鏡分析等手段進行了失效分析。結(jié)果表明，三通的開裂性質(zhì)為應(yīng)力腐蝕開裂。

三通 焊縫 失效分析 有限元 應(yīng)力腐蝕 換熱器

0 序言

取熱器[1-2]常用于石油化工行業(yè)催化裂化裝置中，而三通作為取熱器設(shè)備中流體改向、分流的重要管件，因其形狀復(fù)雜、幾何不連續(xù)、開孔以及材料缺陷等原因，容易產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中，從而誘發(fā)失效事故[3-5]。

某工廠80萬t/a催化裝置外取熱器進出口的水汽管焊縫多次發(fā)生開裂，開裂主要集中在以下兩個部位:（1）外取熱器管程入口對應(yīng)的法蘭焊縫；（2）外取熱器水汽管出口三通處焊縫。停工后對頻繁開裂部位進行了取樣。圖1所示為外取熱器管程出入口管線空視圖，其中2#試樣為外取熱器管程出口三通。該三通露天布置，材質(zhì)為20鋼，其彈性模量為206 GPa，泊松比為0.3。管程的介質(zhì)為飽和水（除鹽、除氧水）與蒸汽，操作壓力為3.5 MPa，設(shè)計壓力為4.25 MPa，操作溫度為220～250℃。本文主要對2#試樣進行分析，從而探討該催化裝置外取熱器管程出口三通焊縫開裂失效的原因。取樣件主管內(nèi)外徑分別為106 mm、133 mm，支管內(nèi)外徑分別為90 mm、109 mm。

1 三通的宏觀形貌、化學成分和水質(zhì)分析

圖2所示為失效三通的宏觀形貌。在樣件觀察時，發(fā)現(xiàn)三通主管一側(cè)有許多微裂紋，微裂紋沿著焊縫周圍分布，并且主要分布在三通腹部區(qū)域。為了便于分析開裂形式，將三通試件按照圖示剖切。剖切后發(fā)現(xiàn)，裂紋源于三通內(nèi)壁的缺口，由里向外形成一條穿透管壁的貫穿裂紋，如圖3所示。此外，三通有明顯的焊接缺陷，存在單面焊未焊透，在開口處焊接接頭并未形成對接接頭，而是形成為角接接頭形式，即焊縫為角焊縫。

圖1 外取熱器出入口管線空視圖

圖2 失效三通形貌

圖3 內(nèi)部缺陷、裂紋

將失效三通試件送檢驗站，進行化學成分分析。表1所示為采用化學法對三通材料及焊縫的化學成分檢測結(jié)果，并與GB/T 699—2015《優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼》中20鋼的成分要求進行對比。由表1可見，開裂三通部件焊縫處的化學成分與國標要求相比，C含量不足，Si、Mn含量超標，而主管與支管的化學成分均在標準范圍內(nèi)。

表1 三通各部位化學元素含量分析（質(zhì)量百分數(shù)，%）

其中C含量的不足會降低鋼的強度極限；而Si作為還原劑和脫氧劑，其含量的增加會降低鋼的焊接性能。Mn有促進晶粒增長的作用，因此錳鋼對過熱較敏感，在熱處理時必須注意，Mn含量較高時會出現(xiàn)較明顯的回火脆性現(xiàn)象。另外，Mn含量的增高會使鋼耐銹蝕性能降低。

外取熱器給水來源與裝置余熱鍋爐給水相同。鍋爐管線運行經(jīng)驗表明，若爐水堿度高，將導(dǎo)致縫隙部位產(chǎn)生堿濃縮，從而導(dǎo)致堿應(yīng)力腐蝕開裂的情況發(fā)生。雖然鍋爐給水有嚴格的水質(zhì)管理制度，但為查明原因，對外取熱器開裂頻繁的2014年的水質(zhì)分析數(shù)據(jù)進行了復(fù)查，主要數(shù)據(jù)全堿度平均為0.4 mmol/L，pH為10.1，符合水質(zhì)管理要求，未出現(xiàn)長時間超指標情況。

2 有限元應(yīng)力分析

鑒于三通的焊接質(zhì)量存在明顯缺陷，因此有必要通過有限元方法對其局部應(yīng)力進行對比分析并進行強度評定[6]。

為了便于觀察，將三通1/4部分的幾何模型導(dǎo)入ANSYS軟件。圖4所示為三通的理想模型。先根據(jù)受力情況和材料參數(shù)定義軟件內(nèi)單元類型和彈性模量，然后再對其進行自動四面體網(wǎng)格劃分。約束方式是對支管端部固定Y方向的位移，對主管的一端固定Z方向的位移。由于取三通的1/4建模，故還要在該模型的剖切面上施加對稱約束。該三通管承受內(nèi)壓，因此需在此三通主管和支管內(nèi)部施加p=4.25 MPa的壓力。對加載后的模型進行計算，得到的應(yīng)力分布云圖如圖5所示。由圖5可知，三通主、支管相貫區(qū)域有很大的集中應(yīng)力，為危險區(qū)域，而三通最大等效應(yīng)力點在其肩部內(nèi)側(cè)，為75.694 MPa，遠低于三通工作溫度時的強度極限110 MPa。因此，理想模型下的三通在僅承受介質(zhì)內(nèi)壓的情況下能滿足強度要求，保證設(shè)備的安全運行。

前已述及三通單面未焊透，根據(jù)這一實際情況需要對其相貫部分進行相應(yīng)的材料移除，進而建立如圖6所示的實際三通幾何模型。重復(fù)上述理想模型的加載步驟，得到實際三通的應(yīng)力分布云圖，如圖7所示。由圖7可知，三通最大等效應(yīng)力增大至96.15 MPa。也就是說，由于焊接坡口及缺陷的存在，使焊縫處出現(xiàn)更大的應(yīng)力集中，因此實際三通的強度有較大程度的降低。

圖4 1/4三通理想模型

圖5 三通理想模型應(yīng)力分布云圖

圖6 實際三通幾何模型

圖7 實際三通應(yīng)力分布云圖

3 電鏡掃描分析

為進一步分析三通開裂失效的類型，對存在裂紋的焊縫進行了金相組織和夾雜物檢驗。結(jié)果表明，三通焊縫處的材料組織為針狀鐵素體、先共析鐵素體、珠光體，夾雜物為DS2（單顆粒球狀類）。

將三通焊縫裂紋處的材料取樣并打開裂紋面，如圖8所示。對圖8中所示的1、2、3區(qū)域進行微區(qū)掃描電鏡分析，得到其微觀形貌如圖9～圖14所示。

從微區(qū)形貌圖可見，裂紋面的開裂呈脆性開裂特征，1區(qū)域存在著晶間開裂、分層現(xiàn)象，2、3區(qū)域的微觀形貌整體較為平整，但也存在晶間開裂現(xiàn)象。由此可以判斷，三通的開裂失效為應(yīng)力腐蝕開裂，裂紋在1區(qū)域萌生并向2區(qū)域、3區(qū)域擴展，最后引起材料斷裂，造成泄漏。

圖8 三通焊縫裂紋處試樣及采樣處

圖9 1區(qū)微觀形貌圖（×50）

圖10 1區(qū)微觀形貌圖（×500）

圖11 2區(qū)微觀形貌圖（×50）

圖12 2區(qū)微觀形貌圖（×500）

圖13 3區(qū)微觀形貌圖（×35）

圖14 3區(qū)微觀形貌圖（×500）

4 結(jié)束語

由以上失效分析可知，該三通焊縫處裂紋由內(nèi)至外擴展，從而導(dǎo)致泄漏。其具體原因如下：外取熱器出口三通屬于大開孔情況，管徑比達到82%，對開口加工要求高。從剖分情況觀察，開口處焊接接頭未形成對接接頭，為角接接頭形式，焊縫為角焊縫。由試樣分析可見，主管、支管開孔加工的幾何形狀及精度不準確，因此影響了焊接質(zhì)量，在焊縫部位造成焊接缺陷。這些缺陷在應(yīng)力集中區(qū)引發(fā)應(yīng)力腐蝕破壞，導(dǎo)致微裂紋產(chǎn)生，而裂紋萌生逐步擴展，積累到一定程度后快速擴展，形成貫穿管內(nèi)外的裂紋，進而導(dǎo)致三通焊縫處發(fā)生開裂失效，造成介質(zhì)泄漏。

為保證催化裝置的長期平穩(wěn)運行，需加強對現(xiàn)場施工材料、焊接質(zhì)量的控制。管子與管件的規(guī)格標準應(yīng)一致，防止出現(xiàn)管內(nèi)表面錯變嚴重的情況，確保實現(xiàn)單面焊雙面成形。采用氬弧焊進行單面焊時，應(yīng)嚴格遵循焊接規(guī)范，以保證焊縫根部質(zhì)量。焊接后應(yīng)進行100%射線探傷。通過加大取熱管直徑、提高三通處開口加工質(zhì)量及保證三通焊接質(zhì)量，可避免大開孔三通的應(yīng)力集中，從根源上解決三通焊接質(zhì)量差的問題，從而能夠有效地避免因根部缺陷所導(dǎo)致的應(yīng)力腐蝕開裂。

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Failure Analysis on the Cracked Weld Seam of Outlet Tee Tube Used in the External Heat Exchanger of FCC Unit

He Jiasheng Gao Wan Wu Wei

In the case of cracking in the tee′s welds of the external heat exchanger tube of a catalytic unit,failure analysis was performed by means of chemical composition analysis,finite element stress analysis,scanning electron microscope analysis and so on.The results showed that the cracks property of the tee was stress corrosion cracking.

Tee;Weld seam;Failure analysis;Finite element;Stress corrosion;Heat exchanger

TQ 053.6

10.16759/j.cnki.issn.1007-7251.2017.06.012

2016-08-03)

*何家勝，男，1958年生，碩士，教授。武漢市，430074。