蒸餾裝置減壓渣油換熱器入口閥門泄漏原因分析

潘若飛，呼立紅，王新凱

（1.中國石油撫順石化公司，遼寧 撫順 113008；2.沈陽中科韋爾腐蝕控制技術有限公司，遼寧 沈陽 110180）

蒸餾裝置減壓渣油換熱器入口閥門泄漏原因分析

潘若飛1，呼立紅2，王新凱2

（1.中國石油撫順石化公司，遼寧 撫順 113008；2.沈陽中科韋爾腐蝕控制技術有限公司，遼寧 沈陽 110180）

某石化蒸餾裝置的換熱器入口閥門發生泄漏，通過宏觀觀察、金相檢測、硬度檢測，以及產物分析等手段，分別對閥門內墊片、連接螺栓以及卡具等進行了一系列理化檢測。檢測分析結果表明，由于墊片的硬度高，致使其回彈力不夠，同時在安裝過程中，受力不均導致墊片與密封面之間存在縫隙，介質滲入，致使墊片和密封面腐蝕受損，造成首次泄漏。泄漏后的介質使得連接螺栓發生腐蝕，同時由于法蘭與螺栓的材質差異，使得螺栓發生嚴重腐蝕；卡具與法蘭之間的焊接材料為不銹鋼材料，由于與泄漏的介質接觸，同時焊接后未進行熱處理，導致了卡具與法蘭連接面焊縫的開裂。

蒸餾裝置；閥門泄漏；墊片變形；應力腐蝕開裂

1 背景

某石化公司蒸餾裝置減壓渣油換熱器入口閥門早期發現閥蓋滲油，閥蓋螺栓緊固后仍滲油，因此對該閥門采取打卡具注膠處理，注膠后依然滲油，因此將卡具與閥蓋焊接，焊接后注膠，經過一年多檢查未發現其泄漏。為了分析閥門泄漏原因，特進行了一系列的檢測分析。

2 檢測分析

2.1 宏觀觀察

漏油部位位于下閥蓋與卡具焊接的焊道部位，緊固螺栓已經與閥蓋表面形成了約2～4mm的間隙，并且螺栓與閥蓋沒有保持絕對垂直的位置關系，說明螺栓已經發生變形。上下閥蓋的密封面上的石墨密封圈已經破損，僅可見一些殘留碎片，同時下閥蓋的金屬墊片發生變形，向閥蓋中心方向彎曲。密封面與法蘭“凹凸面”，以及螺栓孔內均可見明顯的密封膠殘留。墊片變形部位附近裸露的密封面和墊片表面，均有明顯的黃褐色腐蝕產物附著。

2.2 墊片理化性能檢測

分別取變形部分墊片與未變形部分墊片進行金相組織觀察，可見墊片的組織主要為奧氏體+鐵素體相，變形墊片與未變形部分從組織結構上未見差別。但是，從變形墊片的低倍形貌可以看到，其波齒部分已經破損。墊片的本體厚度約2.8mm（圖1）。

圖1 墊圈金相及硬度檢測點

對墊圈的硬度進行檢測，其平均硬度為HV0.1/15s270.1，相當于HB257。

將金屬齒形墊片的材質進行分析，其材質比較接近12Cr14Mn10Ni1，但Ni含量不足。

墊片的材質屬于不銹鋼材質，但是其Ni含量不足。墊片的硬度為HB257，齒形墊片如果為碳鋼，要求HB90-120，不銹鋼墊片，如304、316等HB硬度在130-180之間,可見此墊片的硬度偏高，硬度偏高為導致墊片的回彈力不夠，降低其密封性能。

2.3 閥蓋與卡具理化性能檢測

圖2 焊縫及熱影響區金相及硬度檢測點

從以上組織觀察可以看出，焊縫殘留組織為奧氏體不銹鋼鑄態組織。硬度檢測結果顯示，焊縫硬度HV0.1/15s272.9；熱影響區HV0.1/15s203.3，閥蓋母材硬度為HV1.0/15s127.8，可見焊縫硬度最高。

從卡具與閥蓋的焊道金相檢測可以看出，其焊接的焊條選用的是不銹鋼，同時其焊縫區域硬度較高，說明焊接后未進行有效的熱處理。由于閥門內介質是含有高溫硫和高溫環烷酸的的減壓渣油，當介質滲入到焊道區域時，不銹鋼組織加上焊接殘余應力的影響，很容易發生硫化物的應力腐蝕開裂現象，因此焊道的開裂，主要是由于焊縫金屬為不銹鋼，同時未進行消除應力處理，因此焊縫的殘余應力作用，導致最終焊道的開裂（圖2）。

2.4 螺栓的理化性能檢測（圖3）

對螺柱表面的腐蝕產物進行分析，可見其表面主要是Fe2O3。對螺栓的橫截面芯部硬度進行測試，測試點分布如圖3所示，測試的維氏硬度值為HV314.0（1000g、15s），相當于布氏硬度294，根據GB/T3077-1999合金結構鋼中關于30CrMo的硬度值規定HB應小于等于229，可見螺栓的硬度較標準值偏高。

由于閥門泄漏，因此會有減壓渣油滲入到螺栓的空隙中，當閥門進行打卡具處理和注膠過程中，密封膠將螺栓空隙中的渣油擠壓到密封膠未滲入或滲入少的部位。注膠后高溫法蘭進行了保溫處理，減壓渣油中含有環烷酸和硫，高溫環烷酸腐蝕發生的溫度區間230～400℃，270～280℃和350 ～400℃一般認為是環烷酸腐蝕的兩個高峰溫度區間。由于法蘭已經達到了環烷酸腐蝕所需的溫度區間，因此螺栓會發生了高溫硫和高溫環烷酸腐蝕。

其次，由于有腐蝕介質存在于螺栓縫隙中，螺栓的材質是30CrMo，而閥蓋材質為A217-C5（Cr5Mo），兩種材料的耐蝕性差異很大，在腐蝕性介質中，二者會發生電偶腐蝕，使得耐蝕性相對較差的螺栓材料優先發生腐蝕，因此會發生螺栓腐蝕嚴重的現象。從螺栓的腐蝕宏觀形貌可以看出，螺栓的腐蝕主要為均勻腐蝕，從XRD分析可見，腐蝕產物主要為氧化鐵，證實了電偶腐蝕發生的可能性，

圖3 斷裂螺栓表面的腐蝕產物XRD分析

3 結果與討論

綜合以上分析，可以概括出閥門泄漏的整體過程如下：由于墊片的硬度高，致使其回彈力不夠，同時在安裝過程中，受力不均導致墊片與密封面之間存在縫隙，介質滲入，致使墊片和密封面腐蝕受損，致使首次泄漏。注膠后，使得介質被部分截留在螺栓中，由于法蘭保溫，使得螺栓發生高溫硫腐蝕和環烷酸腐蝕，同時由于螺栓與閥蓋材質的耐蝕性差異，導致其腐蝕電偶腐蝕，使得螺栓的腐蝕破壞更加嚴重，加之螺栓的原始硬度偏高，因此稍加外力，螺栓便會發生斷裂。

由于介質滲入到閥蓋與卡具的焊縫位置，焊縫金屬是奧氏體不銹鋼，同時焊后未進行有效的熱處理，致使焊縫硬度偏高。螺栓腐蝕后，或者斷裂后，使得螺栓的受力不均勻，未斷裂的螺栓其拉應力更大，會發生局部的塑形變形被拉長，當焊縫發生泄漏后，導致閥內壓力較之前降低，螺栓受到的拉應力變小，因此會觀察到一些螺栓已經與閥蓋表面出現較大的空隙。另一方面，螺栓失去其緊固作用后，使得閥蓋與卡具部位所承受的拉應力變大，加之硫介質的不斷作用，最終導致焊縫發生應力腐蝕開裂現象。

4 結論與建議

通過以上檢測分析，得出結論如下：

螺栓腐蝕失效的原因是注膠后介質截留在螺栓內發生高溫硫和高溫環烷酸腐蝕，同時由于閥蓋與螺栓材質的耐蝕性差異，發生電偶腐蝕，加劇螺栓腐蝕。螺栓硬度高，螺柱腐蝕后，剩余直徑很小，受到緊固等外力作用，最終發生斷裂；

閥蓋與卡具焊道開裂的主要原因是焊縫金屬為奧氏體不銹鋼，焊后未進行有效熱處理，焊縫硬度高，接觸到含硫介質后，發生應力腐蝕開裂；

閥門首次泄漏的原因是由于墊片硬度高，回彈力不佳，當安裝受力不均后導致密封面與墊片之間有縫隙，介質滲入，導致密封面和墊片發生腐蝕破壞，最終導致泄漏。

根據失效原因，提出建議如下：

升級墊片材質為304，316等奧氏體不銹鋼，并保證墊片質量。

雖然在此操作條件下，Cr5Mo閥門符合要求，但是一旦發生介質泄漏，密封面很容易被腐蝕，因此可考慮升級為奧氏體不銹鋼閥門；

螺栓熱處理，嚴格執行熱處理規范，避免硬度超標。

進行打卡處理時，焊后應該進行熱處理，防止應力腐蝕開裂的發生。

表4

3 結束語

本實驗通過鐵基體匹配、譜線選擇等方法在一定程度上減少了測定過程中可能存在的干擾。通過以上實驗結果表明，采用ICP-OES法測定1Cr18Ni9Ti的鈦元素方法簡便、快速，其分析結果的準確度、精密度滿足分析要求，達到了我們的預期目的，可在一些 領域進行推廣。

[1]美國熱電公司，元素分析2007年用戶會論文集.

[2]GB/T20125.低合金鋼多元素含量的測定電感耦合等離子體原子發射光譜法.

TE624.1

A

1671-0711（2016）10（下）-0127-02