冷低分安全閥接管斷裂失效分析

楊朝松

(中國石油化工股份有限公司上海高橋石化有限公司，上海 200137)

冷低分安全閥接管斷裂失效分析

楊朝松

(中國石油化工股份有限公司上海高橋石化有限公司，上海 200137)

介紹了加氫裂化裝置冷低分罐安全閥前接管斷裂失效情況，從外觀形貌分析發現接管斷口沒有塑性變形和頸縮，屬于脆性開裂。能譜分析顯示接管斷口有大量的硫，證明焊縫斷裂失效是由于H2S引起的應力腐蝕開裂。化學成分分析結果認定現場所用材料與設計選用材料一致，另外金相組織分析表明焊縫過渡層中高硬度馬氏體組織使焊縫脆性增加。根據上述原因分析從設計規范、焊接施工和工藝操作等方面提出了建議。

冷低分罐 接管斷裂 能譜測試 金相組織

1 情況簡介

某公司1.4 Mt/a加氫裂化裝置于2004年10月投產，2007年9月經過原油適應性改造，裝置進料硫質量分數從1.2%提高到1.96%，部分設備進行了材質升級。裝置冷低分(D-3110)，設置了3臺安全閥，2開1備。在裝置新建時，設計配置：安全閥帶配對法蘭，安全閥閥體為不銹鋼，配對法蘭為不銹鋼法蘭，安全閥前接管為304不銹鋼法蘭+碳鋼管焊接而成。

2015年2月，冷低分(D-3110)罐頂的北側安全閥(PSV-3103/A)閥前接管與安全閥連接的法蘭焊縫處發生貫穿性開裂，裂紋長度達整圈焊縫長度的60%，開裂發生在碳鋼與不銹鋼焊縫的熱影響區。

安全閥接管主要操作參數如下：

設計/操作溫度:70 ℃/50 ℃；

設計/操作壓力:2.75 MPa/2.0 MPa；

操作介質:油氣、H2S和H2，其中H2和H2S質量分數分別為60%和1%。

2 接管斷裂分析

2.1 斷口宏觀形貌分析

斷裂接管斷口腐蝕形貌見圖1。可以看出，斷口處沒有塑性變形和頸縮，屬于脆性開裂。裂紋起源于內壁，從內壁向外壁有放射紋，外壁大約有一半的厚度有瞬時撕裂的痕跡，說明裂紋從內壁起裂大約一半的厚度時，剩余截面不足以承擔內壓而瞬時過載斷裂。

裂紋是從內壁同時起裂的，裂紋基本上是沿著熱影響區擴展的， 少部分區域在焊縫中心線擴展。斷口上銹蝕嚴重，清理后局部區域露出基體，可以看到局部的二次裂紋。

圖1 斷裂接管斷口宏觀形貌

2.2 斷口微觀形貌分析

為了進一步觀察裂紋斷口的特征，將裂紋面扳開后，在掃描電鏡中觀察其斷口微觀形貌，用線切割的方法截取斷裂處的2小塊試樣，用丙酮清洗后進行了掃描電鏡分析，其微觀形貌見圖2。

圖2 斷裂接管斷口微觀形貌

從圖2可以看出：斷口銹蝕嚴重，但局部顯示沿晶開裂斷口形貌。整個斷口上，靠近內壁為裂源區，該斷口呈“冰糖狀”沿晶開裂特征，中部亦為沿晶開裂斷口，靠近外壁邊緣處呈“韌窩狀”斷口，說明此處是最后撕裂部位。整個斷口顯示出與金相分析結果一致，裂紋擴展主要是以沿晶開裂為主。

2.3 接管斷口能譜分析

為確定腐蝕介質的主要參與元素，對斷口上的腐蝕產物進行了能譜分析，即對靠近內壁處的三個點進行了能譜測試，結果見表1。

表1 斷口表面腐蝕產物能譜分析 w,%

由化學成分分析可以明顯得到，斷口上的硫是主要腐蝕成分，而且接管開裂后，接管內的含硫介質侵入到斷口。根據斷口的裂紋擴展途徑主要是以沿晶為主這一特征來判斷，斷口腐蝕產物大量的硫是產生晶間型應力腐蝕的主要介質因素，加速了晶間型應力腐蝕的速度，證明焊縫斷裂失效是由于H2S引起的應力腐蝕開裂[1]。

2.4 材料化學成分分析

接管處材料設計為304不銹鋼法蘭+碳鋼管，對材料進行取樣做化學成分分析，分別對焊材區兩側的母材及焊縫進行了光譜分析，分析結果見表2、表3和表4。

表2 碳鋼管線材料的化學成分分析 w,%

表3 不銹鋼法蘭材料的化學成分分析 w，%

表4 焊縫材料的化學成分分析 w，%

由表2、表3和表4可以看出現場所用材料與設計選用材料一致，現場所用材料為304不銹鋼法蘭+碳鋼管焊接短管。

2.5 斷裂焊縫金相分析

為了掌握裂紋的擴展途徑以及材料的金相組織狀況，分別對焊材區、熱影響區和母材區進行拍照，金相照片見圖3至圖8。

圖3 焊縫金相

圖4 焊縫裂紋

圖5 碳鋼側熱影響區

可以看出，靠近碳鋼一側熔合線的焊縫有細微的裂紋。焊縫區組織有明顯變化，碳鋼側碳從母材通過熔合區向焊縫擴散，在靠近熔合區的母材上形成一個軟化的脫碳層，熔合線的焊縫金屬中出現了馬氏體組織。

圖6 不銹鋼側熱影響區

圖7 不銹鋼母材

圖8 碳鋼母材

裂紋的特征形貌說明，裂紋的擴展深度與寬度相比相差較大，裂紋與所受的應力大小和方向有關。裂紋擴展從宏觀上可以觀察到裂紋是沿最大主應力方向擴展的。此次接管焊縫上出現的裂紋系應力腐蝕裂紋，與介質情況和接管焊縫表面的狀況及應力有關。

3 結 論

(1)碳鋼與不銹鋼焊接時在靠近碳鋼一側熔合線的焊縫金屬中，會形成一層與內部焊縫金屬成分不同的過渡層。碳鋼的合金成分含量低， 對焊縫金屬的成分有沖淡作用，焊縫的奧氏體形成元素不足，熔化的母材和填充金屬不能充分地混合,使焊縫中出現馬氏體組織，過渡層中的高硬度馬氏體組織會使脆性增加，塑性顯著降低，形成低塑性帶，從而降低了焊接結構的可靠性，焊接接頭質量惡化，甚至導致開裂[2]。碳鋼與不銹鋼線膨脹系數差異較大，它們所組成的焊接接頭會產生很大的殘余應力，可促使熔合區內缺陷的發展和聚集。

(2)對照API RP571《煉油設備的損傷機理》，結合裝置該部位的介質、操作溫度、操作壓力和開裂焊縫外表情況等，判斷焊縫開裂的失效機理為濕硫化氫環境下的應力腐蝕開裂，這種開裂是由于硫化物導致的應力腐蝕開裂(SSCC)和應力誘導的氫致開裂(SOHIC)。據統計，國內煉油裝置的濕硫化氫應力腐蝕開裂情況比較嚴重。

(3)引起濕硫化氫應力腐蝕開裂的原因有：硫化物導致的應力腐蝕開裂(SSCC)易發生在高強度鋼的焊接熔合區和低合金鋼的熱影響區，SSCC的敏感性與滲透到鋼材內的氫分壓有關，與pH值和H2S含量的環境因素有關。應力誘導的氫致開裂(SOHIC)易發生在焊縫的熱影響區，特別是熔合線處。研究顯示，當H2S質量分數大于10 μg/g時，對存在強應力的鋼極為敏感。

4 解決措施

(1)焊接施工。用熔合比小的焊接方法，降低母材的稀釋作用，提高焊縫可靠性，減少焊縫的殘余應力，避免原始裂紋。

(2)工藝操作。減少操作波動導致安全閥起跳時的外界應力，降低操作介質中H2S含量，緩解H2S應力腐蝕導致裂紋的發展。

(3)設計規范。設計流程上根據介質變化，選材時避免異種鋼焊接，盡量采用異種鋼法蘭連接過度，根除本質風險。

[1] 劉世宏.X射線光電子能譜分析[M].北京:科學出版社，1988：198.

[2] 設備防腐專業組.石油化工裝置設備腐蝕與防護手冊[M].北京:中國石化出版社，2001：236.

(編輯 張向陽)

Rupture Failure Analysis of Safety Valve Connecting Pipe in Cold Low-pressure Separator

YangChaosong

(SINOPECShanghaiGaoqiaoCo.,Ltd.,Shanghai200137，China)

Rupture failure was introduced of the front connecting pipe of safety valve in cold low-pressure separator of hydrogenation cracking unit, and the rupture is of brittle fracture for that there was no plastic deformation and neck shrinkage in the fracture through the appearance analysis. Spectrum analysis shows that there are a large number of S ions in the fracture surface, proving that fracture failure of the weld is due to the stress corrosion cracking caused by H2S. The results of chemical composition analysis found that the materials used in the field are consistent with the materials selected in the design, besides, analysis of metallographic structure discovered that high hardness martensite in the transition layer increases the brittleness of the weld. Suggestions were proposed in terms of design specification, welding construction and process operation, according to the above analysis.

cold low-pressure separator, rupture of connecting pipe, spectrum test, metallographic structure

2016-08-29 ；修改稿收到日期：2017-02-06。

楊朝松(1978-)，高級工程師，碩士,現從事設備管理工作。E-mail:yangchaosong@sinogpc.com