煉油廠裂解裝置冷換設(shè)備不銹鋼封頭開裂原因分析*

寧飛升

(石油化工工程質(zhì)量監(jiān)督總站,北京 100029)

冷換設(shè)備是石油化工裝置的重要工藝設(shè)備,是實(shí)現(xiàn)物料之間熱量傳遞過程的一類設(shè)備。在煉油、化工、食品、制藥和紡織等行業(yè)中,冷換設(shè)備都有十分廣泛的應(yīng)用[1]。在煉油廠中,冷換設(shè)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(duì)于生產(chǎn)管理人員來講,冷換設(shè)備一直是需要重點(diǎn)控制的設(shè)備,因?yàn)槔鋼Q設(shè)備換熱狀況的好壞,直接影響整個(gè)裝置的平穩(wěn)運(yùn)行。在冷換設(shè)備的制造過程中,連接工藝操作是最為頻繁的操作,連接質(zhì)量的好壞將直接影響整個(gè)生產(chǎn)裝置的安全可靠性。

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

1 封頭開裂情況

某煉油廠裂解裝置冷換設(shè)備于2020年9月28日投用,截至2020年10月4日,在該冷換設(shè)備封頭上共發(fā)現(xiàn)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(tái)設(shè)備采用新鮮水(氯化物質(zhì)量濃度小于25 mg/L)進(jìn)行水壓試驗(yàn),試驗(yàn)后雖將水排凈并用壓縮空氣吹掃,但未進(jìn)行氮封。設(shè)備材質(zhì)為S30408,規(guī)格為殼體內(nèi)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(yùn)行參數(shù)見表1。

表1 設(shè)備運(yùn)行參數(shù)

圖1 冷換設(shè)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(hào)和2號(hào),分析樣品見圖2。對(duì)樣品進(jìn)行了各種測試及分析以探明封頭發(fā)生開裂的主要原因。

圖2 分析樣品

2.2 殘余應(yīng)力測試

采用小孔法分別對(duì)管箱入口和出口的封頭內(nèi)壁直邊段進(jìn)行殘余應(yīng)力測試,測試的具體部位見圖3;共取6個(gè)測試點(diǎn),其中A點(diǎn)和D點(diǎn)選在裂紋附近,測試結(jié)果見表2。從表2來看,兩個(gè)封頭直邊段的殘余應(yīng)力水平均較高,特別是裂紋附近(A點(diǎn)和D點(diǎn))的殘余應(yīng)力已經(jīng)接近實(shí)測屈服點(diǎn)的殘余應(yīng)力。

表2 殘余應(yīng)力測試結(jié)果

圖3 殘余應(yīng)力測試部位

2.3 滲透檢測

分別對(duì)1號(hào)和2號(hào)封頭內(nèi)壁進(jìn)行滲透檢測,1號(hào)封頭內(nèi)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(hào)封頭內(nèi)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(hào)封頭內(nèi)壁上的裂紋

2.4 測 厚

采用測厚儀對(duì)封頭和管箱筒體進(jìn)行厚度測量,封頭的直邊段、過渡區(qū)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(duì)封頭內(nèi)表面進(jìn)行全面硬度測定,同時(shí)對(duì)管箱筒體及焊縫也進(jìn)行硬度測定,測定結(jié)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(xiàn)典型的加工硬化特征,封頭頂部硬度較高,局部已超過標(biāo)準(zhǔn)的上限要求值(201 HB),由于封頭冷成型后未進(jìn)行固溶處理,局部才會(huì)出現(xiàn)明顯的變形硬化現(xiàn)象。

2.6 化學(xué)成分分析

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

表4 化學(xué)成分分析結(jié)果 w,%

2.7 氫含量測定

分別在1號(hào)和2號(hào)封頭的直邊段和頂部取樣進(jìn)行氫含量測定,測定結(jié)果見表5。結(jié)果表明:兩個(gè)封頭內(nèi)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(nèi)的溶解氫含量略高。

表5 氫含量測定結(jié)果

2.8 拉伸試驗(yàn)

分別在1號(hào)和2號(hào)封頭直邊段及頂部取樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果見表6。結(jié)果表明,兩個(gè)封頭頂部的拉伸性能指標(biāo)均滿足S30408的力學(xué)性能要求,直邊段的斷后伸長率低于標(biāo)準(zhǔn)要求;與頂部相比,直邊段的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度有明顯升高,而斷后伸長率有所降低,表現(xiàn)出典型的加工硬化特征;重新對(duì)封頭直邊段進(jìn)行固溶處理后,其拉伸性能得到恢復(fù),指標(biāo)滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

表6 室溫拉伸試驗(yàn)結(jié)果

2.9 沖擊試驗(yàn)

分別在封頭的直邊段和頂部截取試樣進(jìn)行沖擊試驗(yàn),試樣尺寸為沖擊試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)試樣尺寸,試樣規(guī)格為10 mm×10 mm×55 mm,試驗(yàn)結(jié)果見表7。結(jié)果表明,無論是1號(hào)封頭還是2號(hào)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(tài),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(duì)直邊段進(jìn)行固溶處理后,其沖擊功大幅度上升。

表7 沖擊試驗(yàn)結(jié)果

2.10 金相分析

分別在1號(hào)和2號(hào)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(jìn)行分析。裂紋微觀形貌見圖5,其中1-JX2裂紋是在1號(hào)封頭上截取的縱向裂紋,與焊縫平行,啟裂部位位于封頭側(cè)焊縫熱影響區(qū),裂紋沿晶擴(kuò)展,呈樹枝狀,具有典型的應(yīng)力腐蝕開裂特征;2-JX2裂紋位于封頭內(nèi)壁側(cè),屬于表面制造缺陷。

圖5 裂紋微觀形貌

1號(hào)和2號(hào)封頭的金相組織基本相同,封頭的直邊段出現(xiàn)不同程度的變形誘導(dǎo)馬氏體組織,而頂部未見有變形誘導(dǎo)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(qū)封頭側(cè)的晶粒尺寸要大于筒體側(cè)的晶粒尺寸;直邊段經(jīng)固溶處理后其組織變?yōu)檎５膴W氏體組織。

無論是在封頭的直邊段還是在頂部均發(fā)現(xiàn)大量的微裂紋,這些微裂紋與內(nèi)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(jīng)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(nèi)壁焊縫熱影響區(qū)存在大量的鐵銹,這表明該區(qū)域腐蝕時(shí)間相對(duì)較長,屬于裂紋的啟裂部位,裂紋由內(nèi)壁啟裂向外壁擴(kuò)展,整個(gè)斷裂面呈現(xiàn)典型的脆性斷裂特征。金屬表面的制造缺陷顏色較深,與內(nèi)表面之間呈銳角。另外,微觀形貌分析發(fā)現(xiàn),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(duì)斷口表面進(jìn)行微區(qū)成分分析,分析結(jié)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(duì)較高。

表8 能譜分析結(jié)果 w,%

2.13 斷裂韌性試驗(yàn)

在封頭的直邊段截取與焊縫方向平行的試樣進(jìn)行斷裂韌性試驗(yàn),斷裂韌性試樣的斷口形貌見圖7。在低溫靜態(tài)加載條件下產(chǎn)生的裂紋極易擴(kuò)展,且擴(kuò)展極不均勻,試驗(yàn)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(jié)果表明,封頭直邊段受加工硬化影響,材料塑性和韌性遠(yuǎn)低于300系列奧氏體不銹鋼正常狀態(tài),產(chǎn)生了嚴(yán)重的材質(zhì)脆化現(xiàn)象。

斷口分析結(jié)果表明,斷口上存在陳舊性斷面區(qū)和新鮮斷面區(qū),設(shè)備投用前就已存在的裂紋緩慢擴(kuò)展形成陳舊性斷面區(qū),設(shè)備投用后在已有裂紋尖端裂紋快速擴(kuò)展形成新鮮斷面區(qū),陳舊性斷面區(qū)均位于內(nèi)壁焊縫封頭側(cè)熱影響區(qū),且裂紋由此處啟裂,而內(nèi)壁焊縫筒體側(cè)熱影響區(qū)及外壁表面均未發(fā)現(xiàn)裂紋[3-4]。

由于封頭直邊段在制造成型過程中不僅出現(xiàn)嚴(yán)重的材質(zhì)脆化現(xiàn)象,而且還存在非常高的殘余應(yīng)力,其殘余應(yīng)力測試值接近材料硬化后的屈服強(qiáng)度,焊縫封頭側(cè)熱影響區(qū)為應(yīng)力集中處,因此,在設(shè)備水壓試驗(yàn)過程中,封頭的該部位可能會(huì)受損甚至產(chǎn)生裂紋[5-6]。

設(shè)備水壓試驗(yàn)后未采用氮?dú)獗Ｗo(hù),設(shè)備于2019年5月送至現(xiàn)場,直到2020年8月才與管線相連進(jìn)行充氮保護(hù),設(shè)備在現(xiàn)場共放置15個(gè)月。由于設(shè)備長期放置,潮濕大氣循環(huán)浸潤造成氯離子在設(shè)備內(nèi)壁局部濃縮,在殘余應(yīng)力作用下焊縫封頭側(cè)熱影響區(qū)發(fā)生氯化物應(yīng)力腐蝕開裂。

4 結(jié)論及建議

由于封頭直邊段在制造成型過程中出現(xiàn)嚴(yán)重的材質(zhì)脆化現(xiàn)象,殘余應(yīng)力過高,在設(shè)備水壓試驗(yàn)過程中其應(yīng)力集中處可能會(huì)受損甚至產(chǎn)生裂紋;設(shè)備在長期放置過程中可能會(huì)發(fā)生氯化物應(yīng)力腐蝕開裂;設(shè)備投入運(yùn)行后,由于封頭直邊段部位韌性不足,在殘余應(yīng)力和工作載荷的共同作用下,陳舊性裂紋快速擴(kuò)展,形成穿透性裂紋,最終導(dǎo)致封頭發(fā)生泄漏。

為了避免或減少冷換設(shè)備泄漏事故的發(fā)生,可通過以下措施進(jìn)行控制與改進(jìn):

(1)控制鋼材的加工工藝,減少應(yīng)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(qiáng)度,減少錘擊、沖擊以及機(jī)械加工等過程中對(duì)不銹鋼材料產(chǎn)生的應(yīng)力和變形。

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

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

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

(5)在冷換設(shè)備的進(jìn)出口段布置監(jiān)測設(shè)備,以便對(duì)設(shè)備內(nèi)部壓力加強(qiáng)監(jiān)測。通過對(duì)設(shè)備進(jìn)行定時(shí)定點(diǎn)監(jiān)測,實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備狀況的全面掌控。

(6)為保證安全高效生產(chǎn),必須對(duì)冷換設(shè)備的應(yīng)力狀況進(jìn)行詳細(xì)的評(píng)價(jià),并進(jìn)行有效的控制和規(guī)范化管理,確定設(shè)備是否需要修理或更換,確定設(shè)備能否繼續(xù)使用以及是否需要降低使用條件。