裂解爐注氣管線彎頭開裂失效分析

(中國石油天然氣股份有限公司大慶石化分公司,黑龍江 大慶 163714)

石油化工生產中的各類腐蝕常常導致設備和管道失效，從而造成各類事故[1-3]。2016年9月，某化工廠乙烯裝置在停工檢修期間，對一條裂解爐原料注氣管線進行了檢查，發現其上某90°彎頭焊縫附近存在一條長裂紋。該裂解爐于2012年投入運行，結構為USC型管式裂解爐。該爐用于裂解重質液體原料時，為降低烴分壓以達到降低裂解反應壓力的目的，需將稀釋蒸汽分兩次注入到重質原料中。開裂失效部位位于裂解爐A室第一路進料線一次注氣管線注入點前第二個彎頭處，注氣管線材質為304H不銹鋼，規格尺寸為φ219 mm×8 mm，操作壓力為0.5 MPa，操作溫度為200 ℃，介質為稀釋蒸汽。為查明彎頭開裂原因，將注氣管線報廢彎頭切割下來，利用掃描電鏡及能譜儀等檢測儀器，對彎頭試件進行檢測及分析。

1 彎頭宏觀檢查分析

圖1是彎頭外壁焊縫附近的裂紋。由圖1可以看出，裂紋位于彎頭一側的焊縫熔合線處，環向延伸長度大約為145 mm。開裂彎頭位于豎直與水平管線的下拐點處。圖2是彎頭橫截面形狀。由圖2可以看出，焊縫存在裂紋一側的彎頭橫截面處，且彎頭橫截面處存在明顯壓扁變形，說明管線受熱膨脹,對彎頭產生了很大的擠壓彎矩。由圖2還可以看出，彎頭內壁處的焊縫部分未焊透，并且對接處存在錯邊現象。測量彎頭與直管焊接處,其焊縫錯邊量超過4 mm。

圖1 彎頭外壁焊縫附近的裂紋

圖2 彎頭橫截面處的壓扁變形

2 橫截面宏觀檢查分析

從彎頭焊縫開裂處截取小試件，用體視顯微鏡觀察分析試件橫截面裂紋情況，見圖3。由圖3可以看出，在焊縫外壁彎頭一側的焊縫熔合線處存在一條較大的裂紋，幾乎擴展穿透，而直管一側的焊縫熔合線處未發現裂紋。這是由于彎頭壁厚較小，直管一側的承載能力遠大于彎頭一側，所以裂紋位于彎頭一側的焊縫熔合線處。

圖3 彎頭試件橫截面的宏觀形貌

3 外壁與橫截面微觀檢測分析

將彎頭試件外壁噴金導電處理，用掃描電鏡觀察分析彎頭外壁表面與橫截面外側微觀形貌，見圖4和圖5。由圖4可以看出，彎頭外壁的焊縫附近發現較多微裂紋，微裂紋大部分環向分布，延伸形態符合應力腐蝕裂紋特征。由圖5可以看出，彎頭橫截面外側的焊縫根部裂紋擴展距離很長，裂紋前端擴展蜿蜒曲折，裂紋尖端呈現分叉現象，這符合應力腐蝕裂紋擴展的特征，說明彎頭外壁開裂屬于應力腐蝕開裂。

圖4 彎頭外壁表面裂紋形貌 100×

圖5 彎頭橫截面外側微觀形貌 100×

4 斷口微觀檢測分析

采用機械彎折方法將裂紋較深的彎頭試件破開，制成斷口試樣,用掃描電鏡觀察斷口表面微觀形貌，用能譜儀檢測斷口表面腐蝕產物成分，結果見圖6和表1。

圖6 彎頭斷口的微觀形貌 300×

元 素w,%x,%C 45.7269.31O 13.2515.08Si 6.384.13Cl 0.320.17Cr 6.562.30Fe 25.088.18Ni 2.690.83

由圖6可以看出，彎頭開裂斷口區域的微觀形貌特征為冰糖狀的沿晶類型，斷口上還有一些二次裂紋，這符合沿晶型應力腐蝕開裂的斷口特征。由表1可以看出，彎頭斷口表面的腐蝕產物成分主要為鐵的碳化物和氧化物，在斷口擴展區末端也就是原始裂紋尖端區域，發現微量的Cl元素。Cl是奧氏體不銹鋼應力腐蝕最敏感的元素，304奧氏體不銹鋼在高應力區域，存在微量Cl-就可以導致其發生應力腐蝕開裂[4-6]。由此可以確定，彎頭外壁發生了Cl-導致的應力腐蝕開裂。

5 金相組織檢測分析

截取彎頭試樣，用金相砂紙和金剛石研磨膏研磨和拋光，用王水溶液浸蝕，制成金相分析試樣；用金相顯微鏡對試樣金相組織和裂紋擴展情況進行觀察分析，見圖7和圖8。由圖7可以看出，彎頭微觀組織中裂紋擴展蜿蜒曲折，呈現樹枝狀分叉，并且主要沿著晶界擴展。由圖8可以看出，彎頭金相組織為奧氏體，晶粒度達到6級。焊縫附近的熱影響區組織中均有一定程度的晶間碳化物析出現象。晶間碳化物析出削弱了晶界強度，由此產生沿晶型開裂。

圖7 彎頭裂紋處的金相組織 100×

圖8 焊縫熱影響區金相組織 500×

6 結論及措施

(1)彎頭外壁焊縫熔合線處的應力腐蝕開裂是造成彎頭失效的主要因素。

(2)運行中管道熱膨脹,在焊縫處產生高應力;彎頭內壁焊縫錯邊處有未焊透現象，造成彎頭該區域應力集中。

(3)外壁保溫棉滲透進來的微量Cl-是應力腐蝕開裂的環境因素；焊縫熱影響區組織晶間碳化物析出使其晶間弱化，最終導致沿晶型應力腐蝕開裂。

(4)對裝置的類似管線排查探傷，查看焊縫處是否有外壁裂紋、內壁未焊透等現象，消除類似的安全隱患。

(5)針對注氣管線的熱膨脹問題，進行熱固耦合仿真計算，評估熱膨脹變形產生的應力水平，以此來優化管線的懸掛固定結構。

(6)加強注氣管線的外壁保溫防護層施工質量控制，防止防護層不嚴造成漏雨而使得保溫棉的Cl-滲透到管體外壁。