加氫裂化裝置反應器出口管線法蘭開裂原因分析

(中國石油 大連石化分公司，遼寧 大連 116011)

1 加氫裂化裝置反應器出口管線法蘭開裂情況

某天然氣公司3.6×106t/a加氫裂化裝置中的1臺加氫裂化反應器出口管線法蘭在使用中發(fā)生開裂，失效法蘭結(jié)構(gòu)見圖1。該法蘭規(guī)格為DN500 CL250RJ，材質(zhì)為A182-F347Ⅲ級鍛件，設計壓力為16.45 MPa，操作壓力為15.46 MPa，設計溫度為454 ℃，操作溫度為434 ℃，管內(nèi)介質(zhì)主要為油氣、氫氣、硫化氫和氨氣，設備在運行過程中未出現(xiàn)超溫、超壓等情況。

2 加氫裂化裝置反應器出口管線失效法蘭宏觀檢驗

依據(jù)NB/T 47013.5—2015《承壓設備無損檢測 第5部分：滲透檢測》[1]的要求對法蘭進行滲透檢測，以法蘭密封面圓周0°、90°、180°、270°方向為切割線，將法蘭沿管軸軸向均分為4塊，觀察4個切割面裂紋形態(tài)，其中0°、90°、270°切割面存在裂紋。送檢失效法蘭宏觀形貌和切割線標記情況見圖2。

圖1 加氫裂化裝置反應器出口管線法蘭結(jié)構(gòu)

送檢法蘭的滲透測驗結(jié)果顯示，裂紋集中在法蘭密封槽內(nèi)，環(huán)向開裂，裂紋環(huán)向長度約占密封面圓周周長的4/5。觀察4個切割面裂紋形態(tài)，其中0°、90°、270°切割面存在裂紋，法蘭剖面裂紋總體形貌見圖3。

圖3中所示裂紋呈弧形向法蘭頸部方向延伸，測得自法蘭密封槽底部至裂紋尖端最大深度約為165 mm。裂紋周邊金屬顆粒在切割過程中發(fā)生脫落，裂紋面呈黑色，存在金屬顆粒。根據(jù)裂紋寬度和經(jīng)驗可以判斷，啟裂區(qū)位于法蘭內(nèi)部裂紋寬度最大部位。

圖2 失效法蘭整體宏觀形貌和切割線標記情況

圖3 失效法蘭裂紋形態(tài)

3 加氫裂化裝置反應器出口管線失效法蘭開裂原因分析

3.1 化學成分分析

依據(jù)GB/T 20123—2006/ISO 15350:2000《鋼鐵 總碳硫含量的測定 高頻感應爐燃燒后紅外吸收法(常規(guī)方法》)[2]及GB/T 223系列標準方法[3-8]對法蘭進行化學成分分析，結(jié)果見表1。由表1可見，各化學成分滿足ASTM A182—2018《高溫用鍛件或軋制合金鋼和不銹鋼、鍛制管件、閥門和部件》[9]對F347材料的要求，失效法蘭材質(zhì)符合設計、制造要求。

表1 失效法蘭化學成分分析(質(zhì)量分數(shù)) %

3.2 金相組織分析

根據(jù)裂紋分布位置及擴展形態(tài)，共取3個金相試樣，1#試樣取自法蘭密封面附近，2#試樣取自法蘭中部，3#試樣取自法蘭軸向裂紋尖端，3個試樣均以法蘭軸截面為檢驗面。3個金相試樣金相組織見圖4，可見3個取樣點的金相組織分析結(jié)果相差不大，為奧氏體+析出相，析出相呈現(xiàn)顆粒狀，分布于晶界及晶內(nèi)，奧氏體晶粒粗大，晶粒度等級為G0。

圖4 失效法蘭試樣金相組織

選取3#試樣在光學顯微鏡下進行裂紋微觀形貌觀察，見圖5。

圖5 光學顯微鏡下3#試樣裂紋形貌

從圖5獲得的裂紋整體擴展形態(tài)為，裂紋呈樹枝狀，沿晶、穿晶混合擴展，分支較多，細微處多為螺旋狀平行結(jié)構(gòu)、鍥形、波狀結(jié)構(gòu)特征，且沿晶界擴展裂紋寬度大于穿晶裂紋寬度，說明裂紋擴展優(yōu)先沿晶界發(fā)生，啟裂于晶界。

掃描電鏡下3#試樣裂紋形貌見圖6。采用EDAX能譜分析方法對圖6中3#試樣析出相及基體成分進行對比分析。

圖6 掃描電鏡下3#試樣裂紋形貌(1 020×)

EDAX分析的結(jié)果表明，析出相與基體所含主要元素相同，只是析出相中Cr元素質(zhì)量分數(shù)高于基體組織中Cr元素質(zhì)量分數(shù)，約23.9%；Ni元素質(zhì)量分數(shù)低于基體組織中Ni元素質(zhì)量分數(shù)，約4.6%。析出相在晶界富集過程中大量的Cr元素發(fā)生偏聚，勢必造成晶界出現(xiàn)貧鉻區(qū)，Cr元素質(zhì)量分數(shù)的差異會在微區(qū)內(nèi)降低晶界耐蝕性、韌性以及塑性。

3.3 力學性能分析

按照GB/T 228.1—2010《金屬材料 拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法》[10]的要求對法蘭力學性能進行測試，橫向、縱向分別取拉伸試樣，縱向拉伸試樣編號為1#，橫向拉伸試樣標號為2#，試驗結(jié)果見表2。表2中硬度測試的試驗力對應的硬度符號為HBW 10/3000。

表2表明，法蘭橫向拉伸試樣性能滿足標準要求，縱向拉伸試樣性能除斷面收縮率外，其余均滿足標準要求。對比橫向、縱向拉伸試樣各性能數(shù)據(jù)，縱向拉伸試樣強度明顯低于橫向拉伸試樣強度，以斷面收縮率為例，縱向拉伸試樣斷面收縮率僅為橫向試樣的42%，說明法蘭材料存在明顯的各向異性。依據(jù)GB/T 231.1-2018《金屬材料 布氏硬度試驗 第1部分：試驗方法》[11]進行對法蘭硬度進行測定，測定值小于200 HBW，法蘭硬度正常。

表2 常溫拉伸試驗結(jié)果

3.4 裂紋面微觀形貌分析

打開法蘭裂紋，觀察到的斷口宏觀形貌見圖7，啟裂區(qū)、擴展區(qū)、裂紋尖端分別以A、B、C區(qū)標識。A區(qū)附著有黃褐色垢物，B區(qū)附著有黑灰色垢物，C區(qū)斷面無垢物，呈灰色，斷面發(fā)亮，存在金屬小顆粒。經(jīng)超聲波清洗后，A區(qū)垢物易脫落，斷面光亮，存在發(fā)亮金屬小刻面。B區(qū)垢物難清理，局部區(qū)域露出金屬基體。從垢物顏色和脫落難易程度判斷，該法蘭裂紋啟裂于B區(qū)，向A、C區(qū)方向擴展，與宏觀檢驗結(jié)果一致。

圖7 法蘭裂紋斷口宏觀形貌

采用掃描電鏡對裂紋面微觀形貌進行觀察，結(jié)果見圖8。A區(qū)斷面以河流狀花樣、解理臺階為主，呈解理開裂特征。B區(qū)微觀形貌呈冰糖狀、石頭狀，晶界清晰，晶面附著有顆粒狀、短棒狀產(chǎn)物，經(jīng)EDAX分析，產(chǎn)物主要成分為Fe、O和Cr。C區(qū)存在解理臺階，臺階高度差較小。從裂紋面微觀形貌看，啟裂區(qū)斷面以沿晶開裂特征為主，擴展區(qū)斷面以解理花樣開裂特征為主。斷面其余部位垢物中含有Fe、Cr、Ni、K、O、Si、Nb和S元素。

3.5 應力作用下斷口形貌分析

法蘭裂紋擴展形態(tài)和微觀形貌分析均表明，裂紋優(yōu)先在晶界部位擴展，之后在外力的作用下穿晶擴展，為了進一步驗證裂紋的萌生與擴展，采用掃描電鏡對橫向拉伸試驗斷口形貌進行分析，結(jié)果見圖9。

從圖9可見，斷面起伏較大，存在較多二次裂紋，啟裂區(qū)位于試樣中心部位。從微觀形貌看，整個斷面以沿晶擴展裂紋和韌窩特征為主，說明該材料在拉伸應力的作用下存在沿晶開裂傾向，晶內(nèi)材料存在一定韌性。這與斷口啟裂區(qū)微觀形貌特征相符，說明材料在應力作用下晶界部位易萌生裂紋并連接、擴展。

圖8 法蘭裂紋面掃描電鏡微觀形貌

圖9 橫向拉伸試驗斷口掃描電鏡形貌

4 分析與討論

4.1 工藝狀況分析

失效法蘭為加氫裂化反應器出口管線法蘭，開裂部位位于法蘭密封槽內(nèi)，正常情況下密封槽內(nèi)不會接觸有害介質(zhì)，沒有發(fā)生環(huán)境應力腐蝕開裂的條件，即使在使用過程中管內(nèi)介質(zhì)意外躥入密封槽內(nèi)，介質(zhì)中的油氣、氫氣、硫化氫和氨氣，可能存在氫脆、氨應力腐蝕開裂及濕硫化氫引起的氫鼓包、氫致開裂、應力導向氫致開裂和硫化物應力腐蝕開裂等損傷機理，也不存在發(fā)生上述損傷的可能，因為該法蘭材質(zhì)為A182-F347，屬于奧氏體不銹鋼，上述損傷模式對該種材質(zhì)不敏感。

從法蘭斷面污垢形成物化學分析結(jié)果看，污垢形成物中也不存在Cl元素，即斷面沒有發(fā)生氯化物的聚集，不存在發(fā)生氯化物應力腐蝕開裂的條件。

綜上所述，在該工藝條件下，無論其介質(zhì)氫分壓、硫化氫、氨氣含量有多高都不存在應力腐蝕開裂，結(jié)合內(nèi)壁宏觀形貌檢查結(jié)果，管內(nèi)壁光亮，無腐蝕坑、裂紋等失效形式存在，所以管內(nèi)介質(zhì)對法蘭無腐蝕、應力開裂傾向。

4.2 缺陷來源分析

金相組織顯示，奧氏體晶界存在顆粒狀析出相，裂紋優(yōu)先在存在析出相的、晶粒尺寸較大的晶粒邊界萌生。經(jīng)EDAX分析，析出相中Cr、C元素含量高于基體組織，C在奧氏體中的溶解度隨溫度的下降而減低，會向晶界附近遷移，并與晶界附近的Cr結(jié)合，生成Cr23C6，從而使晶界附近貧鉻。但是其形成溫度一般在450～850 ℃[12]，而該法蘭使用溫度為434 ℃，在該運行條件下不會發(fā)生晶界第二相顆粒的析出，晶界第二相顆粒在使用前已發(fā)生。

該法蘭為鍛件，一般要求其晶粒度不小于5級，而該法蘭晶粒度等級為G0，晶粒尺寸長大明顯。奧氏體晶粒的長大是一個相變過程，其轉(zhuǎn)變溫度需高于奧氏體形成溫度(一般大于900 ℃)，并保溫一定時間，而該法蘭使用溫度為434 ℃，不會對材質(zhì)本身的晶粒大小產(chǎn)生影響，故而材料中粗大的奧氏體晶粒只能在制造過程中產(chǎn)生。如鍛造過程中鍛件溫度過高或在一定鍛造溫度下，變形程度處于臨界變形度范圍時，不銹鋼鍛件再結(jié)晶后的晶粒就比較粗大。較為粗大的晶粒使材料塑性降低，增大其存在析出相的晶界強度下降，在應力作用下產(chǎn)生脆性裂紋的可能性[12-14]。法蘭在鍛造過程中形變速率很大，材料塑性變形受阻時在強烈變形區(qū)域產(chǎn)生應力集中，通過萌生微裂紋釋放應力，微裂紋逐漸長大，裂紋長度達到格里菲斯臨界長度時發(fā)生裂紋擴展，斷口形貌表現(xiàn)為解理、準解理開裂特征[15-16]，這與該法蘭裂紋斷口形貌相吻合。

啟裂區(qū)斷口表面存在柱狀氧化物和微裂紋表面的顆粒狀多邊形氧化物，以Fe、O、Cr元素為主，為不銹鋼高溫氧化的結(jié)果。該法蘭材質(zhì)為奧氏體不銹鋼，只有在高于800 ℃的情況下才會發(fā)生氧化[17]，而該法蘭正常運行溫度為434 ℃，不會形成具有規(guī)則多面體形態(tài)的富Cr氧化物，即斷面氧化物顆粒不是在設備運行過程中產(chǎn)生，而是在法蘭制造過程中產(chǎn)生。

4.3 受力分析

檢驗結(jié)果表明，法蘭組織存在缺陷，啟裂區(qū)位于內(nèi)部，可以推斷在法蘭投入使用過程中或許其內(nèi)部已存在沿晶的脆性裂紋。有研究表明，對于脆性材料，平行于裂紋的壓應力對裂紋的擴展有驅(qū)動作用[18]，雖然法蘭材料不屬于脆性材料，但因其粗大的晶粒和晶界脆性相顆粒的存在，在微觀狀態(tài)下裂紋尖端周邊受力情況可參考脆性材料特征。該法蘭裂紋沿管縱向擴展，在服役過程中管壁承受較大的壓應力，即壓應力方向與裂紋方向平行，依據(jù)脆性材料裂紋擴展特點，法蘭運行過程中對管壁造成的壓應力會促進材料內(nèi)部微裂紋的擴展。

4.4 法蘭開裂原因總結(jié)

法蘭金相組織中粗大的奧氏體晶粒和沿晶界存在的第二相脆性析出相顆粒是造成法蘭開裂的起因，因脆性相的存在，晶界強度下降，在外力的作用下，裂紋會沿尺寸較大的晶粒邊界萌生，裂紋尖端易產(chǎn)生應力集中，在后期的制造、安裝、使用過程中，裂紋不斷萌生、連接、擴展，直至法蘭失效。

5 結(jié)語

采用多種方法對加氫裂化裝置反應器出口管線法蘭開裂原因進行了分析，建議對同批次法蘭進行無損檢測，排除類似缺陷，消除安全隱患。尤其在超聲檢測過程中，若出現(xiàn)嚴重的衰減和散射，則應加以重視，及時補充進行現(xiàn)場金相檢測，以確定其晶粒度和金相組織是否合格。