渣油加氫裝置間斷注水線截止閥閥體裂紋成因分析及修復

(中化泉州石化有限公司，福建 泉州 362103)

某公司渣油加氫裝置的間斷注水線截止閥于2014年6月投入使用，同年11月在閥門的焊縫處曾發現有砂眼，跟蹤觀察后繼續使用至2015年6月檢修。檢修期間對閥體進行了打磨和滲透(PT)檢測，發現閥體及其焊縫部位存在多處裂紋和密集砂眼，對其進行了檢驗分析，并對同一批閥門進行全部檢驗、修復和更換。

1 裝置概況和閥門技術參數

1.1 裝置概況

該渣油加氫裝置設計規模為3.30 Mt/a，采用CLG公司的固定床渣油加氫脫硫工藝技術。為防止低溫部位的銨鹽析出堵塞管路，分別在熱高分氣空冷器和熱高分氣蒸汽發生器前注入脫硫凈化水(除鹽水)以溶解銨鹽。

1.2 閥門技術參數

閥門公稱直徑DN80，壓力等級1 500 LB，工作壓力20 MPa，工作溫度50 ℃，工作介質為除鹽水，閥體材質為鑄造CU5MCuC合金。CU5MCuC是ASTM相關標準中的一種鎳基合金材料，鍛件和板材相當于Incoloy 825材質，是一種添加了Mo-Cu-Ti(或Nb)的高Cr-Ni合金，國內牌號為0Cr21Ni42Mo3Cu2Ti[1]，抗氯化物應力腐蝕和點腐蝕性能優異。

2 常規檢驗

2.1 閥體PT檢測

將閥體從管線上切割拆下后，對閥體及閥體與接管連接的焊縫進行PT檢測，發現閥體上有多處單個和聚集的裂紋(見圖1)。A部位最長裂紋約18 mm；B部位最長裂紋約7 mm。經低倍放大觀察可見焊接修補痕跡(見圖2)。在閥體上還發現有大面積的麻坑，麻坑直徑約1.5 mm，深約1.5 mm。

圖1 閥體滲透檢測宏觀形貌

圖2 焊接修補痕跡及裂紋形貌

2.2 化學成分分析

對閥體進行化學成分分析,結果見表1。從表1可以看出，除錳含量略微超標外，閥體其余元素的化學成分全部滿足ASTM標準要求。根據GB/T 222—2006《鋼的成品化學成分允許偏差》的有關規定，錳含量也在允許偏差范圍之內。

表1 閥體化學成分分析結果 w，%

2.3 力學性能試驗

從閥體上截取拉伸試樣，進行常溫力學性能試驗，結果見表2。從表2可以看出，閥體的抗拉強度等力學性能也滿足ASTM標準要求。

表2 拉伸試驗結果

2.4 硬度檢測

將圖2所示的閥體A部位和B部位的補焊區取樣進行硬度檢測，結果見表3。

表3 硬度測試結果 HV

從表3可以看出，補焊焊縫金屬的硬度為176.6～207.5 HV，補焊與閥體過渡區硬度為173.4～211.7 HV，閥體母材硬度為155.2～199.6 HV。測得的硬度值基本正常。

3 金相分析

將圖1所示的閥體A部位和B部位分別截取全厚度(閥體厚度約26 mm)金相試樣，進行金相分析，發現局部有明顯補焊痕跡(B部位補焊最深處約7 mm)。

3.1 閥體A部位金相分析

將閥體出現裂紋的A部位用線切割進行取樣(見圖3)，對取樣部位的母材和補焊區進行金相分析,見圖4和圖5。從圖4和圖5可以看出：1號位置位于閥體的近外壁，為未補焊處的母材，可見明顯的沿晶微裂紋;2號和3號位置為閥體與補焊焊道的熔合線兩側，可觀察到從母材到焊縫的貫穿性裂紋，裂紋起源于母材熱影響區的晶界處;4號位置位于閥體截面中間，金相組織呈夾雜物聚集狀疏松形貌。

圖3 A部位表面形貌及金相分析位置

圖4 A部位1至3號位置金相

圖5 A部位4號位置金相

3.2 閥體B部位金相分析

將閥體出現裂紋的B部位用線切割進行取樣(見圖6)，針對取樣部位的母材和補焊區域進行金相分析(見圖7)。

圖6 B部位表面形貌及金相分析位置

從圖6和圖7可以看出：1號位置位于焊縫金屬本體靠近焊縫熔合線，發現有柱狀晶方向擴展的裂紋，應為母材裂紋擴展所致。2號和3號位置為閥體與補焊焊道的熔合線兩側，從母材到焊縫有貫穿性裂紋，裂紋起源于母材熱影響區的晶界處。4號位置位于閥體截面中間，金相分析發現有明顯的縮孔現象。

3.3 裂紋斷口分析

將閥體切開后，表面裂紋進一步擴展為開口狀(見圖8)，裂紋最深處為6 mm。閥體整體呈脆性狀態，敲擊閥體裂紋就會擴展致脆性斷裂，其斷裂面見圖9和圖10。

圖8 閥體切開后的裂紋擴展形貌

圖9 閥體脆性斷裂情況

圖10 裂紋撕開后的斷口形貌

圖10中的黑色部位為原始裂紋，白色部分為敲擊閥體造成的斷裂面，脆性特征明顯。將黑色部分放大后，可見斷口呈晶粒粗大的疏松特征(見圖11)。將白色部位放大，可見斷口呈解理斷裂特征，為鑄態脆性形貌(見圖12)。

圖11 原始斷口微觀形貌

圖12 新斷口脆性形貌

3.4 X射線能譜分析

在原始斷口上隨意選取2個部位進行能譜分析，結果見表4。

表4 X射線能譜分析結果 w，%

由表4可知，原始斷口存在以鉻和錳為主的氧化性夾雜物，合金成分均不能滿足標準要求。

3.5 閥體的檢查驗收討論

綜合以上分析可知，出現在補焊部位的裂紋是從鑄件本體熱影響區穿過熔合線延伸至焊縫，母材中還有縮孔和夾雜物。出現在母材部位的原始裂紋經能譜分析為氧化性夾雜物，這些都說明閥體存在嚴重質量問題。

根據ASTM A494/494M標準的補充要求，鑄件質量驗收的關鍵點如下：(1)焊接時，可對每道焊縫進行冷卻，清潔以及目測裂紋情況，若發現裂紋，可以拒收。(2)用(NH4)2SO4+HCl+HNO3配比的蝕刻劑對樣品進行蝕刻，在5倍和10倍的低倍條件下，觀察線性長度上的裂紋，最多不能超過3條，且每條裂紋的長度不能大于5 mm。(3)若在熱影響區或熔合區發現裂紋，則可以拒收該產品。

根據上述要點進行判斷，焊后裂紋的數量和長度都遠遠超出了標準規定，熱影響區和熔合區存在多處裂紋，該閥門閥體屬于不合格產品。

4 缺陷修補

由于現場缺乏DN250 、壓力等級1 500 LB的單向閥備件，只能對該批次閥門進行修復使用。由于閥體裂紋很多，且存在疏松夾雜等缺陷，極大地增加了補焊難度。為此，制定了詳細的焊補工藝，進行缺陷修復。對深度不大于0.5 mm的砂眼缺陷用砂輪片清理;深度大于0.5 mm的砂眼，采用鉆孔方法清除孔內雜質后，用氬弧焊進行補焊。對所有裂紋予以機械清除，清除裂紋后用PT檢測，確認無裂紋后再進行氬弧焊修補。

4.1 焊接工藝及要求

缺陷修復采用氬弧焊焊補方法，焊絲為鎳基合金材料，成分與母材成分相近。其焊接工藝參數見表5。

表5 焊接工藝參數

鑄件焊接修復是一項細致復雜的工作，修復中使用的刨錘、鋼絲刷等工具應采用不銹鋼材料；打磨焊縫應采用不銹鋼專用砂輪片。焊接時采用小線能量及多層多道焊，層間溫度控制在100 ℃以下；底層焊道應采用鎢極氣體保護焊，焊補過程中焊縫背面充氬保護。

4.2 修復質量控制和檢驗

(1)裂紋缺陷修補前做PT檢測，以確認裂紋長度。

(2)用刨錘和砂輪機清除裂紋，再進行PT檢測，在確保根部無裂紋的情況下進行焊接修補。

(3)嚴格按焊接工藝要求進行缺陷修補施焊，做好焊接工藝參數的記錄工作，形成交工技術文件。

(4)修補完成后進行100%PT檢測，在焊縫表面和熱影響區均未發現裂紋。

5 結論及建議

(1)渣油加氫裝置間斷注水截止閥閥體的化學成分、力學性能和維氏硬度檢測結果符合標準要求；閥體上的裂紋源于母材鑄造缺陷，與鑄造質量有很大關系。

(2)金相分析表明，閥體存在疏松和縮孔等明顯缺陷；斷口能譜分析結果表明，閥體微觀成分存在嚴重偏析，組織中存在氧化性塊狀夾雜物。

(3)根據ASTM相關標準補充規定的要求，所發現的裂紋長度和線性方向的裂紋數量都不能滿足標準要求，閥體為不合格產品。

(4)該批次閥門閥體本身存在嚴重質量問題，應在使用過程中進行跟蹤、監測，并建議使用至下次停工檢修時予以全部更換，在采購技術條件中增加ASTM相關標準補充規定中的相應要求。

(5)在征得原設計單位同意后，閥門閥體更換為DN250 、壓力等級2 500 LB的抗硫碳鋼鍛件，閥門內件更改為Incoloy825鍛件，閥門兩端為法蘭連接結構，避免焊接造成的次生問題。