某天然氣凈化廠脫水塔失效原因分析

李 信，徐 濤，張 生

（四川省特種設備檢驗研究院，四川成都 610061）

0 引言

某天然氣凈化裝置天然氣脫水單元的脫水塔（規格：Φ1700 mm×14 673 mm、凈重約 38.361 t、主體材料為 16MnR和16MnR+316L，筒體厚（58/54+3）mm，筒體上封頭厚 40 mm，下封頭厚（38+3）mm）。該設備設計壓力9.1 MPa，設計溫度90/160℃；最高工作壓力8.1 MPa，工藝介質為脫硫天然氣+TEG（TriEthylene Glycol，三乙二醇/三甘醇）。裝置在大檢修時，在A5焊縫上發現多處橫向超標埋藏缺陷（埋藏裂紋）。

1 取樣

依據現場檢測結果，采用冷切割的方式取樣，試樣為全壁厚試樣，焊縫位于其中部（表1，圖1～圖2）。

表1 取樣試樣含埋藏缺陷情況表

2 失效分析

2.1 化學成分分析

對試樣母材和焊縫進行化學成分分析，發現母材和焊縫處金屬成分符合GB 713—2014《鍋爐和壓力容器用鋼板》[1]及GB150—2011《壓力容器》[2]和 GB/T 5117—2012 中 E5015 焊條熔敷金屬化學成分的要求。

2.2 金相及缺陷形貌分析

圖1 1#缺陷部位

經金相分析，1#、2#試樣母材金相組織為鐵素體+珠光體；熱影響區組織為鐵素體+珠光體；焊縫組織為珠光體+先共析鐵素體+貝氏體，3個區域的組織正常。埋藏缺陷（裂紋）位于焊縫內部，垂直于焊道分布。在光學顯微鏡下觀察，裂紋呈臺階狀、穿晶擴展，裂紋內無產物存在（圖 3、圖 4）。

圖2 2#缺陷部位

2.3 裂紋斷面微觀分析

采用掃描電鏡對裂紋斷面進行微觀形貌分析，1#試樣裂紋面低倍形貌見圖5，裂紋深度約2.5 mm，裂紋面存在起伏。圖5中，A區為裂紋尖端，D區為啟裂區。裂紋啟裂區和擴展區存在“浮云”狀、“魚眼”型白點，以準解理特征為主，白點與基體之間存在韌窩帶，白點區外存在韌窩特征，為熱處理后斷口特征（圖6）。裂紋尖端為韌窩特征（圖7）。

表2 試樣母材化學成分 %

表3 試樣焊縫化學成分 %

圖3 1#裂紋形貌（腐蝕后）

圖6 “魚眼”、“浮云”白點區

3 結果分析

脫水塔筒體母材、焊縫化學成分、金相組織均符合相關要求，說明板材冶金質量和熱處理制度合理，對裂紋的產生沒有直接影響。裂紋均位于焊縫內部，為埋藏缺陷，從金相分析結果看，裂紋呈臺階狀，且裂紋內無產物存在，符合氫致裂紋特征。裂紋面微觀特征以圓形或橢圓形白點、“魚眼”、“浮云”、韌窩及韌窩帶為主，符合氫致斷口微觀形貌特征[3-4]。

對于該焊縫內的埋藏缺陷（裂紋）是否擴展取決于溶解于焊縫中的氫含量，結合脫水塔工藝條件，脫水塔內介質為TEG+脫硫天然氣，外部介質不存在產生氫原子的條件，故該焊縫內的氫全部來自于焊接過程。

圖7 “浮云”狀白點及韌窩帶

4 建議

（1）控制氫的來源。焊接過程中氫的來源主要是水（H2O）的受熱分解，H2O在焊接電弧的高溫作用下會分解出游離的H，在熔池中溶解形成溶解H。水的來源主要有：受潮焊條、焊絲，管口處的鐵銹，管口處有霜、雪或潮濕，管口有油污、油漆等有機物，以及空氣濕度過大等。所以，控制氫來源的主要措施可以歸結為：①焊材的干燥，其中包括焊材的烘干和烘干后的保存，尤其是吸濕力極強的低氫焊條；②管口的清理，焊接作業前要嚴格對管口進行清理，保證焊口處及周圍無冰霜雪、油污、鐵銹、水分等；③在雨雪霧天，沒有一定的防護措施不得進行焊接作業；④改善熱處理工藝，將焊接工藝更換為埋弧自動焊，能有效防止有害氣體的浸入、減緩焊縫冷卻速度，有利于焊縫中氫的逸出。

（2）加強氫向金屬外的擴散。存在焊縫金屬中的氫會自發的向金屬外擴散，氫的擴散速率隨著溫度的增高而加快，所以增加氫向金屬外的擴散就是延長焊縫金屬在較高溫度段的停留時間，當焊接電壓電流一定時，焊前預熱、焊后緩冷可以實現降低焊接接頭的冷卻速度，延長高溫停留時間。

（3）焊后及時進行消氫熱處理，使焊縫中的氫迅速向外部擴散。