焦化裝置熱電偶套管開裂原因分析

(中國石油化工股份有限公司天津分公司，天津 300271)

焦化裝置熱電偶套管開裂原因分析

王 強(qiáng)

(中國石油化工股份有限公司天津分公司，天津 300271)

某焦化裝置焦炭塔塔頂油氣線上的熱電偶套管發(fā)生開裂，作者通過對開裂的套管進(jìn)行宏觀檢驗、化學(xué)成份分析、金相檢驗、硬度檢驗、腐蝕產(chǎn)物分析，并結(jié)合檢驗結(jié)果進(jìn)行失效分析后，得出套管開裂的主要原因是選材不當(dāng)、在硫的腐蝕環(huán)境下，發(fā)生連多硫酸應(yīng)力腐蝕開裂。根據(jù)分析結(jié)果，作者提出了針對性建議。

套管 硫腐蝕 應(yīng)力腐蝕開裂

0 前言

2010年10月17日，某廠焦化裝置C-101/3焦炭塔塔頂出口油氣線上熱電偶套管發(fā)生開裂，開裂部位位于熱電偶套管與法蘭連接的角焊縫處。

該熱電偶套管于2009年3月安裝投用，熱電偶安裝在油氣線上，用于生焦時測試油氣溫度，除焦時隨油氣線從焦炭塔移開。熱電偶套管上部穿過法蘭與上部套帽用螺紋連接，下部與法蘭焊接固定，見圖1。熱電偶套管規(guī)格為￠25×8mm，材質(zhì)為304。焦炭塔塔頂出口油氣線介質(zhì)為油氣、H2S，工作溫度為350℃/常溫，工作壓力0.26Mpa/常壓，生焦/除焦周期為20小時。

圖1 熱電偶套管安裝示意圖

1 實驗方法

1.1 宏觀檢驗

對熱電偶套管斷口進(jìn)行宏觀檢驗，發(fā)現(xiàn)斷口較為平齊，有臺階狀分層，無明顯塑性變形，呈脆性斷裂特征。用放大鏡觀察斷口，套管斷口邊緣附近有多處裂紋擴(kuò)展痕跡，從裂紋指向上分析，裂紋起源于套管外壁，具有多源開裂特征。如圖2、圖3所示。

圖2 斷口宏觀

圖3 裂紋源示意圖

1.2 化學(xué)成份分析

對熱電偶套管進(jìn)行化學(xué)成份分析，結(jié)果見表1。從化學(xué)成份上看，材料中的鉻、鎳含量較高，同時含有4.03%的鎢，套管材質(zhì)與所提供的304材質(zhì)不符，材料屬于高碳鉻鎳鎢合金，并非304。

通過計算Cr、Ni當(dāng)量查舍夫勒相圖，該材質(zhì)的穩(wěn)定態(tài)組織為奧氏體組織。

表1 熱電偶套管化學(xué)成份

1.3 金相檢驗

對熱電偶套管表面和開裂斷口分別進(jìn)行金相檢驗，兩個部位的金相組織均為奧氏體+共晶碳化物+夾雜物，晶粒較為粗大。共晶碳化物呈骨骼狀，沿晶界網(wǎng)狀分布，為鑄態(tài)奧氏體組織。奧氏體轉(zhuǎn)變產(chǎn)物呈黑色，分布不均勻，如圖4、圖5所示。

斷口靠近外壁有許多晶間裂紋，外壁裂紋開口較大，裂紋由外向內(nèi)擴(kuò)展，多為沿晶開裂，同時，裂紋附近有黑色的塊狀夾雜物出現(xiàn)，如圖6、圖7所示。

圖4 表面金相組織－50倍

圖5 表面金相組織－100倍

圖6 斷口金相組織-50倍

圖7 斷口金相組織，裂紋沿晶間擴(kuò)展-100倍

1.4 硬度檢測

熱電偶套管表面進(jìn)行硬度檢測，實測布氏硬度在HB266-269之間,硬度值高于一般奧氏體不銹鋼的硬度值上限HB187。

1.5 腐蝕產(chǎn)物分析

熱電偶套管斷口表面腐蝕產(chǎn)物的能譜分析結(jié)果見表2及圖8，斷口上的腐蝕產(chǎn)物中含有較高的S，同時還含有一定量的C、O、Ca等。

表2 腐蝕產(chǎn)物能譜分析結(jié)果

2 開裂原因分析

熱電偶套管的含碳量達(dá)到0.60%，在焊接或熱處理時，碳容易以碳化物(如Cr23C6)的形式在晶界析出，造成晶界附近發(fā)生貧鉻，且共晶碳化物呈骨骼狀、網(wǎng)狀沿晶界分布，造成材料的耐蝕性能下降，晶界容易成為裂紋萌生和擴(kuò)展的部位，金相檢驗發(fā)現(xiàn)裂紋正是沿著奧氏體晶粒的晶界進(jìn)行擴(kuò)展。

根據(jù)ⅡW(國際焊接協(xié)會)推薦的碳當(dāng)量計算公式，該熱電偶套管的碳當(dāng)量：

Ceq=WC+ WMn/6+ (WCr+WMo+WV)/5+(WCo+ WNi)/15=7.47%, 當(dāng)材料的碳當(dāng)量>0.6%時，鋼材的淬硬傾向很強(qiáng)、難于焊接，需采取較高的預(yù)熱溫度和嚴(yán)格的工藝控制措施。

圖8 腐蝕產(chǎn)物能譜分析結(jié)果

熱電偶套管的硬度值高于一般奧氏體不銹鋼硬度范圍，材料的應(yīng)力腐蝕開裂敏感性隨著硬度值增加而增大。

腐蝕產(chǎn)物中有相當(dāng)量的硫，說明介質(zhì)中的硫參與了腐蝕。

油氣管線接觸介質(zhì)主要為含H2S油氣，在生焦時，套管遭受高溫S腐蝕，形成FeS腐蝕產(chǎn)物。在除焦時，由于油氣線從焦炭塔頂移開，套管處于常溫，空氣中的水汽會進(jìn)入管線，并沿套管與法蘭管咀之間的間隙滲入到套管與法蘭的角焊縫處，空氣和水遇FeS，形成連多硫酸腐蝕，在焊接應(yīng)力作用下，使熱電偶套管的角焊縫發(fā)生了連多硫酸的應(yīng)力腐蝕開裂。

3 結(jié)論

綜上所述，焦化裝置熱電偶套管開裂的原因為：選材不當(dāng)，材質(zhì)碳當(dāng)量高，難于施焊；焊后存在較高的殘余應(yīng)力，在S腐蝕環(huán)境下，發(fā)生了連多硫酸應(yīng)力腐蝕開裂。

4 建議

(1) 按設(shè)計要求選用熱電偶套管的材質(zhì)。建議均采用Cr5Mo材料，可提高材料的抗連多硫酸應(yīng)力腐蝕開裂能力。

(2) 熱電偶套管焊接時嚴(yán)格執(zhí)行焊接工藝，同時采取措施，盡量減少焊接殘余應(yīng)力。

[1] 孫智, 江利, 應(yīng)展鵬等. 失效分析－基礎(chǔ)與應(yīng)用[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2005.

[2] 曾彤, 余存燁. 硫化物應(yīng)力腐蝕破裂探討[J]. 全面腐蝕控制, 2011, 4: 9-15.

Analysis on the Cracking Cause of the Thermocouple Tube on the Coking Unit

WANG Qiang
(Tianjin Petrochemical Equipment and Instrument Research Institute, Tianjin 300271, China)

The cracking of the thermocouple tube belongs to oil-gas line where on the top of coke tower. It happened in a coking field. The main causes of the casing pipe cracking are improper selection and polythionic acid stressed corrosion cracking in sulfur corrosion environment through the test of the macro-examination, chemical composition analysis, metallographic examination, hardness testing, corrosion product analysis, combined with the test results after the failure analysis. According to the results, author propose some specific suggestion.

branch pipe; sulfur corrosion; stress corrosion cracking

TG174

A

1008-7818(2014)01-0058-03

王強(qiáng) (1983－) ，男，遼寧鐵嶺人，工程師，長期從事石油化工設(shè)備的檢驗檢測及失效分析工作。