煉化企業低壓氣柜開裂失效原因分析及解決措施

(中國石化塔河煉化有限責任公司，新疆 庫車 842000)

1 低壓氣柜工況

某煉化企業Q235B材質的氣柜用于儲存煉化企業各裝置排放的干氣，干氣的主要組成為C4及以下烷烴、H2和N2，同時含有一定量的H2S，CO2和水。氣柜工況及介質組成見表1。氣柜柜壁和底板壁厚均為6.5 mm，底板焊接采用手工焊，焊材為J427，氣柜內外表面均有涂層防護。2018年冬季停工檢修期間，在氣柜柜壁及相連底板處發現了裂紋。

表1 低壓氣柜工況及介質組成

2 檢測分析

2.1 宏觀觀察

氣柜開裂處柜壁內、外部宏觀形貌見圖1。

圖1 1號氣柜開裂處宏觀照片

由圖1可以看出，柜壁豎直段(A板)和底板(B板)通過焊接相連接，氣柜內、外部均有涂層防護，內部涂層狀態良好，無明顯起皮脫落現象，而外部底板邊緣處涂層脫落，金屬基體裸露。

裂紋從柜壁拐角處向兩側均有延伸，A板裂紋形態平直，從底部斜向上方擴展，未見有分叉現象，裂紋長度約53 cm。由裂紋的形態初步判斷，A板裂紋是由角焊縫起源，沿A板向上擴展。將A板、B板整體切割下來觀察(見圖2)，可以發現，B板有補焊區域，焊縫部位多處未熔合，且夾有一塊填充板，填充板與柜壁未焊透且未熔合。

圖2 氣柜底板焊接處宏觀形貌

2.2 化學成分分析

對氣柜材質進行化學成分分析，結果如表2所示。元素成分含量符合相關標準的要求[1-2]。

2.3 力學性能

參照文獻[3]和文獻[4]的標準試驗方法，對氣柜所用Q235B材質進行拉伸和沖擊性能測試，結果見表3和表4。從表3和表4可以看出，雖然該材質的拉伸性能、0 ℃沖擊性能和20 ℃沖擊性能均滿足標準規定的要求,但其-20 ℃沖擊性能較差。

表2 氣柜Q235B鋼化學元素分析結果 w，%

表3 氣柜材質的拉伸性能

表4 氣柜材質的沖擊性能

2.4 硬度測定

在柜壁裂紋附近的母材、焊縫及熱影響區分別選點進行硬度測試，結果顯示,Q235B鋼板母材、焊縫及熱影響區硬度均≤200 HBW，硬度值符合相關標準規定。

2.5 金相分析

分別從氣柜的母材、熱影響區(粗晶區)及焊縫部位取樣，參照文獻[5]和文獻 [6]的標準方法進行金相形貌觀察和夾雜物評定，金相分析結果如圖3所示。其中母材為鐵素體+珠光體組織，熱影響區為粗針鐵素體+粒狀貝氏體+珠光體組織，焊縫為粗針狀及塊狀鐵素體+粒狀貝氏體+少量珠光體組織。氣柜的母材、焊縫及熱影響區中未發現異常組織。

圖3 母材、粗晶區及焊縫區的金相

氣柜Q235B材質母材及焊縫夾雜物評定結果見表5。

表5 母材及焊縫夾雜物評定結果

由表5可以看出，焊縫夾雜物較母材夾雜物更多，其夾雜物為單顆粒球類(DS 2.0)。

2.6 斷口分析

為了詳細研究整個裂紋不同區域的斷口特征，在裂紋上選擇了3個部位分別取樣做斷口分析。取樣位置及其斷口宏觀形貌如圖4所示。由圖4可以看出，1號斷口表面呈黑色，并帶有紅色鐵銹，斷口表面均為腐蝕產物所覆蓋；2號斷口表面呈黑色，部分區域帶有紅色鐵銹,連接B板一側斷口粗糙，存在腐蝕現象，但是較1號斷口腐蝕程度輕；3號試樣斷口呈銀灰色，未見有明顯的腐蝕產物，可以看出明顯的裂紋擴展條紋。可以判定，A板內外表面同時開裂，裂紋由2號焊接接頭處向A板擴展。

圖4 斷口取樣位置及宏觀形貌

對1號斷口進行掃描電鏡微觀形貌觀察(見圖5)，可以看出,整個斷口被附著物所覆蓋，斷口分為Ⅰ和Ⅱ兩個區域，形貌略有不同。對兩個區域進行能譜分析(EDS)，結果見表6。兩個區域的腐蝕產物中均含有一定量的O和S元素，證明開裂前期已產生明顯腐蝕。斷口部位外表面為腐蝕產物所覆蓋，內表面涂層完好，進而判斷焊縫部位外部首先發生了腐蝕。

圖5 1號試樣斷口微觀形貌

3號斷口試樣的微觀形貌如圖6所示。由圖6可以看出，內外表面存在河流花樣和少量剪切唇。EDS分析也顯示斷面無明顯的氧化腐蝕及H2S腐蝕跡象。該部位裂紋呈穿晶裂紋形貌，斷口大部分區域有解理臺階存在，因此判斷該部位為解理斷裂[7]。

表6 斷口不同區域EDS分析結果 w，%

圖6 3號試樣斷口的微觀形貌

3 分析與討論

綜合失效部位鋼板的各項分析結果，可以判斷氣柜開裂失效原因。

(1)底板焊縫存在較大的結構應力。一方面，焊接控制不當會使底板焊縫存在較大的焊接應力；另一方面，該底板上方設計了脫水器，底板下方由于瀝青砂流失而懸空，使底板存在較大的結構應力。焊接應力和結構應力疊加作用于氣柜焊縫是其發生開裂的應力因素。

(2)氣柜材質Q235B的低溫夏比沖擊吸收功測試值僅為9 J，遠低于標準要求的27 J。現場冬季環境長期處于0 ℃以下，停工期間氣柜處于-10 ℃ 及更低溫度下，Q235B材質的抗沖擊性能降低，極易發生脆性斷裂，這是發生開裂的材質因素。

(3)一旦形成微裂紋，尤其在前期裂紋孕育期，內部涂料局部破損，形成濕H2S腐蝕環境，進一步加劇了材料的腐蝕破壞。

(4)在氣柜服役期間，一旦結構應力超過材質的臨界應力，最薄弱的底部夾板部位首先沿焊縫張開，該結構應力繼續傳遞到臨近壁板和底板上，使其產生變形，在內部缺陷特別是夾雜處形成微裂紋。微裂紋在結構應力的持續作用下，快速擴展并沿內部缺陷集中處分別向上(壁板方向)、向內(底板方向)延伸。

4 結論及建議

(1)柜壁底部施焊過程中添加填充板，焊縫未完全熔合，焊接質量較差。該部位長期暴露在空氣中，焊縫部位首先產生腐蝕，在結構應力的作用下發生開裂。

(2)冬季長期處于低溫條件下，氣柜停工期間柜壁材質不能滿足低溫沖擊性能要求，最終產生了低溫脆斷。

(3)建議加強焊接管理，確保焊接質量。

(4)建議及時維護氣柜底部邊沿結構，避免瀝青砂流失，如果發生流失應及時補充維修。脫水器也應增加支撐，減輕柜壁所承受的應力。

(5)鑒于冬季最低氣溫在0 ℃以下，建議氣柜停工檢修應避開冬季。

(6)建議選用低溫性能更好的Q235D或其他低溫用鋼，出廠時做低溫沖擊試驗，保證-20 ℃情況下的夏比沖擊吸收功不小于27 J。