高溫煙氣膨脹節(jié)波紋管開裂失效分析*

萬泰力 孟慶武

(1.大慶煉化公司；2.東北石油大學)

膨脹節(jié)(又稱補償器或者伸縮節(jié))是石油化工裝置中常用的一種能自由伸縮的彈性補償機構，用于補償因溫度差或者機械載荷而產(chǎn)生的附加應力以及減振和降噪[1, 2]。近年來，煉油裝置中的膨脹節(jié)失效事故時有發(fā)生。例如，1995年的吉林石化公司[3]、2004年和2013年的大連石化公司[3, 4]、2006年的玉門煉油廠[5]均發(fā)生過膨脹節(jié)失效事故，給企業(yè)生產(chǎn)造成一定的經(jīng)濟損失。膨脹節(jié)失效機制比較復雜，由于長期承受高溫、介質(zhì)腐蝕及交變載荷等惡劣工況，導致其金屬波紋管產(chǎn)生晶間腐蝕、腐蝕疲勞、應力腐蝕及高溫損傷等失效[6～10]。

2012年某煉油廠重油催化生產(chǎn)裝置中，一套高溫煙氣膨脹節(jié)在使用了一年多就發(fā)生了開裂泄漏。為了生產(chǎn)繼續(xù)運行，將泄漏波紋管處在線補焊密封套，勉強維持使用，待大修時更換。膨脹節(jié)的波紋管壁厚為2.5mm，材料為Incoloy800，操作溫度670～680℃，操作壓力0.2～0.3MPa，介質(zhì)為高溫煙氣。為查明原因，針對其開裂波紋管進行檢測分析，以確定其失效性質(zhì)和原因，為相關膨脹節(jié)制造和使用提供借鑒和指導。

1 膨脹節(jié)泄漏宏觀檢查分析

將膨脹節(jié)外側的密封套切割開，露出里側的波紋管。由圖1、2可以看出，波紋管的波峰處存在一條較大的裂紋，這條裂紋造成了膨脹節(jié)泄漏。將開裂處的波紋管切割取下一部分，制備成各類試樣，進行檢測分析。

圖1 膨脹節(jié)波紋管泄漏部位

圖2 波紋管泄漏部位的裂紋形貌

2 波紋管內(nèi)外壁微觀形貌檢測分析

在遠離波紋管開裂區(qū)域截取多個小試樣，用超聲波清洗干凈，利用掃描電鏡觀察分析試樣表面的微觀形貌，查找是否存在微裂紋。由圖3波紋管內(nèi)壁表面的微觀形貌可以看出，在多個波紋管試樣內(nèi)壁均發(fā)現(xiàn)微裂紋，在波紋管外壁表面未發(fā)現(xiàn)微裂紋，表明波紋管的裂紋萌生于內(nèi)壁，向外壁擴展開裂。

圖3 波紋管內(nèi)壁的微裂紋形貌

波紋管的外壁一側暴露在空氣中，而其內(nèi)壁接觸高溫煙氣，煙氣中SO2等硫化物較多，腐蝕性很強。由此可以判斷出，波紋管內(nèi)壁一側的高溫煙氣腐蝕作用是造成波紋管開裂的重要因素。

3 波紋管開裂斷口微觀檢測分析

在波紋管開裂處截取斷口小試樣，用超聲波清洗干凈，利用掃描電鏡觀察分析斷口表面的微觀形貌(圖4)，可以看出，波紋管斷口表面存在二次裂紋，并且斷口表面腐蝕嚴重，在高倍下斷口表面布滿腐蝕產(chǎn)物(圖5)。用能譜儀檢測斷口表面的腐蝕產(chǎn)物，結果顯示腐蝕產(chǎn)物中含有較多S元素，這說明煙氣中的硫化物(主要為SO2)對波紋管開裂起到腐蝕作用。用鹽酸與六亞甲基四胺配制清洗劑，將斷口表面的腐蝕產(chǎn)物清洗掉。由酸洗后的波紋管斷口微觀形貌(圖6)可以看出，斷口微觀形貌特征為脆性解理斷口，這就排除了波紋管過載以及高溫蠕變造成塑形開裂的可能性。

圖4 波紋管開裂斷口的低倍微觀形貌

圖5 波紋管斷口的高倍微觀形貌(酸洗前)

圖6 波紋管斷口的高倍微觀形貌(酸洗后)

4 波紋管試樣金相組織檢測分析

在波紋管上靠近開裂以及遠離開裂區(qū)域各截取小試樣，經(jīng)研磨拋光后用王水溶液浸蝕，制備成金相試樣，利用金相顯微鏡對試樣的金相組織以及裂紋擴展形態(tài)進行觀察分析。圖7為波紋管上遠離開裂區(qū)域的金相組織圖片，可以看出波紋管金相組織為奧氏體，其中夾雜有小顆粒狀碳化物，晶粒度評定等級為6級，未發(fā)現(xiàn)異常組織和粗大夾雜物。圖8、9為波紋管上靠近開裂區(qū)域的微觀組織圖片。圖8為王水浸蝕前的組織中微裂紋擴展形態(tài)，可以看出裂紋擴展呈現(xiàn)明顯的樹枝分叉形態(tài)，這是應力腐蝕裂紋的典型形態(tài)。圖9為王水浸蝕后的組織中微裂紋形態(tài)，可以看出裂紋擴展呈現(xiàn)穿晶形態(tài)，未發(fā)現(xiàn)明顯的沿晶腐蝕特征。

圖7 波紋管微觀金相組織 ×100

圖8 波紋管未浸蝕組織中微裂紋 ×100

圖9 波紋管浸蝕組織中微裂紋 ×500

5 預防建議

根據(jù)膨脹節(jié)失效機理以及現(xiàn)場實際情況，制定了以下技術措施來延長其使用壽命：將波紋管的材料更換為耐蝕性能更好的鎳基合金Inconel625；調(diào)整膨脹節(jié)連接兩端的煙氣管路接口距離與對中性，盡量減小膨脹節(jié)連接造成的附加載荷；裝置檢修停工時通入熱空氣吹掃，避免硫化物的露點腐蝕產(chǎn)生。

6 結束語

應力腐蝕產(chǎn)生的條件是拉應力+特定腐蝕介質(zhì)。膨脹節(jié)的波紋管材料為Incoloy800，金相組織為奧氏體，對硫化物應力腐蝕比較敏感。高溫煙氣中含有硫化物(主要為SO2)，在生產(chǎn)停工時結露附著在波紋管內(nèi)壁上，滿足了應力腐蝕的特定介質(zhì)條件。膨脹節(jié)安裝以及生產(chǎn)中的熱脹冷縮聯(lián)合載荷作用，在波紋管上產(chǎn)生復雜的應力狀態(tài)，某些區(qū)域產(chǎn)生較高的拉應力，具備了應力腐蝕的拉應力條件。波紋管斷裂無明顯塑性變形，屬于脆性斷口，斷口腐蝕產(chǎn)物中檢測出硫化物，組織中微裂紋樹枝狀分叉穿晶擴展。因此確定波紋管開裂屬于硫化物導致的應力腐蝕開裂。

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