乙烯裂解爐原料預熱管線焊接接頭開裂原因分析

劉凱敏 谷曉鵬 黃雪崧

（1.長慶油田分公司a.物資供應處；b.技術監測中心；2.中國石油天然氣股份有限公司蘭州石化分公司）

乙烯裂解爐是整套乙烯裝置的核心設備，其生產能力和穩定性直接決定了乙烯裝置的生產規模和產品質量［1，2］。某石化公司裂解爐原料預熱管線在運行過程中因一處焊接接頭發生開裂導致了介質泄漏。筆者對原料預熱管線裂紋部位進行宏觀檢查、光譜分析、力學性能分析、金相分析、掃描電鏡（SEM）及能譜分析（EDS），以分析原料預熱管線焊接接頭開裂的原因。

1 運行工況介紹

某乙烯裝置裂解爐原料預熱管線于2020 年投入使用，運行后每月按計劃燒焦一次，每次燒焦約30 h。2022 年12 月，該管線在運行過程中發生了介質泄漏，停車檢修發現泄漏部位位于東側預熱管線入口附近的一處焊接接頭部位，該部位出現了一條環向裂紋，該處采用P11/TP310 異種鋼焊接連接，爐體側為A335 P11 管 （φ219.1 mm×8.18 mm），另一側為A312 TP310 管（φ219.1 mm×8.18 mm）。原料預熱管線詳細參數如下：

設計壓力 0.50 MPa

運行壓力 0.42 MPa

設計溫度 448 ℃

運行溫度 420 ℃

介質 C2H4、CH4、C4H6、C6H6、C7H9、硫化物等

管道材質 P11、TP310

2 試驗檢測與分析

2.1 宏觀檢查

失效管段宏觀形貌如圖1 所示。由圖1a、b可見管段外壁呈紅褐色銹蝕狀，P11 管側焊趾處存在一條長約140 mm 的裂紋，該裂紋沿焊趾周向擴展，其周圍存在褐色腐蝕產物，焊縫表面呈魚鱗紋狀；由圖1c、d 可見裂紋區內壁打底層焊縫表面存在大小不一的腐蝕凹坑，未開裂區域內壁焊縫呈魚鱗狀，表面無明顯的腐蝕，P11 管段內壁整體呈黑色，局部存在氧化皮。

圖1 失效管段宏觀形貌

2.2 化學成分分析

失效管段的母材及焊縫化學成分分析結果列于表1。管段兩側母材的化學成分分別符合ASME SA-335/SA-335M、ASME SA-312/SA-312M對P11 和TP310 材料的要求；焊縫的化學成分則不符合ASME SFA-5.14/SFA-5.14M 對ERNiCr-3焊絲的要求，其中Fe 元素含量略高于標準要求，Nb+Ta 元素含量略低于標準要求，其他元素含量符合標準要求。

表1 化學成分分析結果 wt%

采用鐵素體測定儀進行焊縫鐵素體含量測定，結果顯示鐵素體含量為0.15%～0.24%。

2.3 力學性能分析

失效管段P11 母材室溫拉伸試驗結果見表2，P11 管的屈服強度、抗拉強度和伸長率均符合ASME SA-335/SA-335M 對P11 材料的要求。

表2 室溫拉伸試驗結果

失效管段P11 管母材室溫沖擊試驗結果見表3，P11 管母材的沖擊功為64～95 J。

表3 室溫沖擊試驗結果

焊接接頭維氏硬度測試結果見表4，可以看出，焊縫的維氏硬度與TP310 管側熱影響區的硬度接近；P11 管側熱影響區的硬度較高；P11 管母材的硬度在整個焊接接頭中最低。

表4 維氏硬度（HV）分析結果

2.4 金相組織分析

裂紋尖端軸向截面金相組織及其形貌如圖2所示。由圖2a～d 可以看出，裂紋啟裂于P11 管側焊根處，沿熔合線由內壁向外壁擴展，焊縫背面余高2.4 mm，焊根部位存在明顯的尖角形貌；由圖2e 可以看出，P11 管側熱影響區組織為貝氏體；P11 管母材組織為鐵素體+珠光體（圖2f）；焊縫和TP310 管母材金相組織均為奧氏體（圖2g、h）。

圖2 裂紋尖端軸向截面金相組織及形貌

外表面焊接接頭處未開裂部位軸向截面金相組織及其形貌如圖3 所示。該處焊縫背面余高3.6 mm，此外在P11 管側焊根附近內表面呈灰色，存在明顯的腐蝕。

圖3 外表面焊接接頭處未開裂部位軸向截面形貌及金相組織

2.5 掃描電鏡及能譜分析

2.5.1 掃描電鏡電子金相分析

裂紋尖端金相組織掃描電鏡形貌如圖4 所示。裂紋寬度由內壁向外壁逐漸變小，由此說明裂紋啟裂于P11 管側的焊根處，并沿熔合線由內壁向外壁擴展。

圖4 裂紋掃描電鏡形貌

管段外表面焊接接頭未開裂部位P11 管側焊根處金相組織掃描電鏡形貌如圖5 所示。P11管側的焊根處存在腐蝕現象，同時可見一條由焊根處啟裂沿熔合線擴展的微裂紋。

圖5 管段外表面焊接接頭未開裂部位P11管側焊根處掃描電鏡形貌

2.5.2 宏觀斷口與掃描電鏡微觀斷口分析

宏觀斷口宏觀形貌如圖6 所示。斷口表面凹凸不平，呈熔滴狀形貌，覆蓋有一層黑灰色垢物，斷口無明顯塑性變形，呈脆性斷裂的特點。

圖6 宏觀斷口形貌

清洗后的斷口掃描電鏡形貌如圖7 所示。斷口表面均呈沿晶斷裂特征，為典型的脆性斷裂形貌。

圖7 清洗后的斷口形貌

2.5.3 能譜分析

對斷口、內壁表面垢物和微裂紋內腐蝕產物進行能譜分析，分析結果見表5。由分析結果可知，斷口表面的垢物主要以鐵的氧化物形式存在，垢物中還含有Na、Al、K、Ca 等雜質元素；內壁表面的垢物主要是含鐵的氧化物，同時含有大量的S 元素，并且存在Na、Al、K、Ca 等雜質元素；微裂紋內的腐蝕產物以鐵的氧化物為主，其中還含有大量具有腐蝕性的S 元素。

表5 能譜分析結果 wt%

3 分析與討論

失效管段的P11 管母材化學成分、拉伸性能、沖擊性能均滿足標準要求，TP310 管母材化學成分滿足標準要求；P11 管側熱影響區組織為貝氏體，導致其硬度比焊縫及母材高。

失效管段采用P11/TP310 異種鋼焊接連接，開裂部位位于P11 管側的熔合線處。P11 屬于低合金鋼，TP310 為不銹鋼，P11 材料在20～450 ℃溫度范圍內的平均熱膨脹系數為14.1×10-6℃-1，TP310 材料在20～450 ℃溫度范圍內的平均熱膨脹系數為17.0×10-6℃-1，不銹鋼熱膨脹系數大于低合金鋼，其導熱系數又小于低合金鋼。大量研究表明，造成異種鋼焊接接頭早期失效的主要原因是焊接過程中的碳擴散以及由于線膨脹系數不一致所導致的熱應力［3］。P11/TP310 異種 鋼焊接接頭在高溫運行中、開停車過程中均會產生較大熱應力。金相分析可見，焊縫與基體金屬交界處存在幾何結構突變，焊根處形成了明顯的尖角，這種結構極易產生應力集中［4］。此外，熱膨脹系數的差異會導致焊縫兩側母材在開停車、運行過程中的變形量不同，加之P11 管側熱影響區的硬度較高，兩側組織性能存在較大差異，導致P11管側熔合線處材料性能差。

綜上，P11 管側焊根處是整個焊接接頭的最薄弱部位。該裂解爐每月會向管線內通入蒸汽和空氣，管線溫度降低后，蒸汽和空氣中的水蒸氣在管內冷凝。能譜分析可見管段內壁表面附著的垢物中存在大量S 元素，因此設備在冷備工況下，管內形成了具有腐蝕性的濕硫化物環境。在腐蝕性介質、焊接殘余應力、熱應力及工作應力的共同作用下焊根處萌生裂紋，發生應力腐蝕開裂。

針對預熱管線焊接接頭開裂原因，建議管段清焦后不立即使用時及時進行干燥；盡量保證焊根處圓滑過渡；嚴格控制焊接質量，避免熔合線存在焊接缺陷；優化焊接工藝，在P11 管側堆焊鎳基隔離層并熱處理，然后進行100%RT 檢測，合格后檢測硬度，再加工焊接坡口焊接TP310 管。

4 結論

4.1 焊縫的化學成分與焊材標準不符，不是發生本次失效的主要原因。

4.2 焊接工藝不當，導致P11 母材與鎳基填充材料的結合力不足、焊接成型差，焊縫背面余高較大，使焊根處形成應力集中，加之P11 母材與鎳基填充材料性能差異較大、該側熔合線硬度較高，導致熔合線處材料性能差。

4.3 乙烯裂解爐原料預熱管線異種鋼焊接接頭P11 側發生了硫化物應力腐蝕開裂，裂紋啟裂于焊根處，由內壁向外壁沿熔合線擴展。控制焊接工藝，減小焊縫余高、避免設備冷備運行，可減小發生硫化物應力腐蝕開裂傾向。