儲(chǔ)運(yùn)裝置石腦油球罐焊縫裂紋問(wèn)題分析探討

摘要：檢驗(yàn)人員在對(duì)福建某石油化工有限公司儲(chǔ)運(yùn)裝置加氫裂化石腦油球罐定期檢驗(yàn)過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)球罐內(nèi)表面焊縫和熔合線位置上存在大量的表面裂紋缺陷。利用各項(xiàng)檢驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果，結(jié)合球罐介質(zhì)運(yùn)行環(huán)境和焊縫應(yīng)力分布等進(jìn)行裂紋分析，證實(shí)表面裂紋屬于濕硫化氫環(huán)境中產(chǎn)生的硫化物應(yīng)力腐蝕裂紋。根據(jù)實(shí)際檢驗(yàn)情況和原因分析，提出球罐在濕硫化氫環(huán)境運(yùn)行的防護(hù)措施，確保石油化工設(shè)備安全運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：球罐；濕硫化氫；應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂；檢驗(yàn)檢測(cè)

Analysis and Discussion on Weld Crack of Naphtha Spherical Tank of Storage and Transportation Unit

ZHENG "Jinhang

（ Fujian Boiler and Pressure Vessel Inspection "Institute，F(xiàn)uzhou 350008， Fujian， China ）

Abstract： During the regular inspection of a hydrocracking naphtha spherical tank in the storage and transportation unit of Fujian Petrochemical Co.， LTD， inspectors discovered a large number of surface crack defects on the weld seam and fusion line positions on the inner surface of the spherical tank. By utilizing various inspection and testing results， and considering the operating environment of the thank’s medium and the stress distribution of the welds ， a crack analysis was conducted. It was confirmed that the surface crack were sulfide stress corrosin cracks produced in a wet hydrogensulfide environment. Based on the actual inspection situation and cause analysis， this article proposes protective measures for the operation of spherical tanks in a wet hydrogen sulfide environment to ensure the safe operation of petrochemical equipment.

Key Words： Spherical tank; Wet hydrogen sulfide; Stress corrosion cracking; Inspection and testing

0引言

近年來(lái)，隨著石油化工行業(yè)的高速發(fā)展，儲(chǔ)運(yùn)裝置的半成品和成品球罐數(shù)量增多，球罐在定期檢驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題越來(lái)越多，其中裂紋缺陷居高。儲(chǔ)運(yùn)裝置中的球罐盛裝的介質(zhì)多數(shù)是易燃易爆產(chǎn)品，而裂紋是球罐中最危險(xiǎn)的一種缺陷，它是導(dǎo)致球罐發(fā)生爆炸、泄漏等的主要因素，嚴(yán)重威脅著人員生命財(cái)產(chǎn)安全，影響企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益，因此對(duì)裂紋的分析探討和減少事故的發(fā)生具有十分重要的意義。

1設(shè)備基本信息和運(yùn)行情況

福建某石油化工公司儲(chǔ)運(yùn)裝置石腦油球罐在2009年9月投入生產(chǎn)使用，球罐的主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。球罐焊縫布置示意圖見(jiàn)圖1。

該球罐盛裝的加氫裂化輕石腦油介質(zhì)高度在5～12m之間，在日常的操作運(yùn)行過(guò)程中未出現(xiàn)異常狀況，上次全面檢驗(yàn)時(shí)間是2019年8月，檢驗(yàn)結(jié)論是內(nèi)表面存在裂紋，已打磨消除。

2檢驗(yàn)檢測(cè)情況

2022年7月，福建省鍋爐壓力容器檢驗(yàn)研究院對(duì)該球罐開(kāi)展定期檢驗(yàn)，檢驗(yàn)人員根據(jù)球罐的運(yùn)行記錄、介質(zhì)成分、年度檢查報(bào)告、竣工資料和上次定期檢驗(yàn)報(bào)告編制檢驗(yàn)方案、檢驗(yàn)項(xiàng)目和檢測(cè)比例，檢驗(yàn)項(xiàng)目有：宏觀檢查、壁厚測(cè)定、磁粉檢測(cè)、超聲波檢測(cè)、安全附件檢查，對(duì)缺陷部位增加TOFD檢測(cè)、硬度檢測(cè)、金相分析、應(yīng)力分析等檢測(cè)項(xiàng)目。壁厚測(cè)定應(yīng)覆蓋每一塊球殼板，數(shù)量不少于5個(gè)點(diǎn)，重點(diǎn)檢測(cè)液位波動(dòng)部位和上次檢驗(yàn)減薄部位。磁粉檢測(cè)部位為內(nèi)表面對(duì)接焊縫100 %檢測(cè)和外表面對(duì)接焊縫20 %檢測(cè)（覆蓋所有交叉焊縫），所有接管角焊縫100 %檢測(cè)，所有支柱與球殼板角焊縫100 %檢測(cè)。超聲檢測(cè)部位為外表面對(duì)接焊縫20 %檢測(cè)（覆蓋所有交叉焊縫、安裝時(shí)返修部位及上次檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)缺陷部位）。

宏觀檢查球罐本體、接管和焊縫部位未發(fā)現(xiàn)腐蝕、變形、泄漏、鼓包、機(jī)械損傷等現(xiàn)象。球罐支柱和基礎(chǔ)未發(fā)現(xiàn)下沉、傾斜、開(kāi)裂等，緊固螺栓完好，球罐支柱的鉛垂度符合要求。內(nèi)表面環(huán)焊縫存在咬邊，咬邊深度為0.5～1.0 mm，主要分布在上溫帶與上極板相連接的環(huán)縫（BF縫）和上溫帶與赤道帶相連接環(huán)縫（AB縫）。

磁粉檢測(cè)發(fā)現(xiàn)球罐內(nèi)表面上溫帶與上極板相連接的環(huán)縫（BF縫）整圈焊縫上、下熔合線以及上溫帶與赤道帶相連接環(huán)縫（AB縫）部分焊縫上、下熔合線存在大量表面裂紋（見(jiàn)圖2）。裂紋沿焊縫熔合線呈縱向分布，少量裂紋延伸至母材呈樹(shù)枝狀（見(jiàn)圖2），裂紋的起始部位較粗寬，沿裂紋擴(kuò)展部位較細(xì)窄。

對(duì)焊縫進(jìn)行超聲波檢測(cè)，選用2.5Z20×20K1.5和2.5Z20×20K2.5斜探頭對(duì)外表面對(duì)接焊縫20 %檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果環(huán)焊縫上發(fā)現(xiàn)埋藏深度27～32 mm的超標(biāo)缺陷，缺陷反射波幅SL+25dB。選用2.5Z20N單晶直探頭對(duì)裂紋部位的母材區(qū)域進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果顯示，裂紋部位的母材未發(fā)現(xiàn)分層和內(nèi)部鼓包等缺陷。

對(duì)裂紋部位的焊縫采用TOFD檢測(cè)，檢測(cè)面在環(huán)焊縫外表面，主要檢測(cè)焊縫和熔合線兩側(cè)各10 mm，檢測(cè)結(jié)果共發(fā)現(xiàn)32處Ⅲ級(jí)下表面開(kāi)口裂紋，裂紋高度3～7.5 mm，部分表面開(kāi)口裂紋TOFD檢測(cè)圖譜見(jiàn)圖3。

對(duì)裂紋部位的焊縫、熱影響區(qū)和母材進(jìn)行硬度檢測(cè)，檢測(cè)的位置見(jiàn)圖4，檢測(cè)的測(cè)點(diǎn)取5次檢測(cè)值的平均值作為硬度檢測(cè)的測(cè)量值，硬度檢測(cè)的具體測(cè)量值見(jiàn)表2。焊縫和熱影響區(qū)硬度值高于母材16 MnR的標(biāo)準(zhǔn)值。

現(xiàn)場(chǎng)使用便攜式金相檢測(cè)儀對(duì)裂紋部位進(jìn)行金相組織分析，焊縫兩側(cè)的母材區(qū)域金屬組織相同顆粒度正常，晶界清晰，金相組織為：鐵素體+珠光體（見(jiàn)圖5）。發(fā)現(xiàn)焊縫熔合線區(qū)金屬組織顆粒遠(yuǎn)比母材金屬粗大，晶界模糊，裂紋呈穿晶及沿晶開(kāi)裂（見(jiàn)圖6）。

采取便攜式X射線應(yīng)力分析儀抽取BF環(huán)焊縫5處進(jìn)行殘余應(yīng)力分析，殘余應(yīng)力值見(jiàn)表4。數(shù)值表明球罐安裝完成后即使經(jīng)過(guò)整體熱處理焊縫仍然存在殘余應(yīng)力。

3裂紋的原因分析

3.1介質(zhì)濕硫化氫溶度分析

石腦油中硫化氫濃度也是極為重要的腐蝕影響因素。通過(guò)翻閱歷年儲(chǔ)運(yùn)裝置石腦油的硫化氫含量和水含量檢測(cè)數(shù)據(jù)，匯總數(shù)據(jù)見(jiàn)表5。HG/T 20581-2020《鋼制化工容器材料選用規(guī)定》中6.8.2條指出當(dāng)化工容器接觸的介質(zhì)中含有游離水，且硫化氫溶度大于50 mg/L時(shí)，稱為濕硫化氫環(huán)境[1]。當(dāng)液相中硫化物溶度大于50 mg/L，潮濕氣相中硫化氫分壓大于等于0.3 kPa時(shí)濕硫化氫破壞容易發(fā)生，分壓越大，敏感性越高。從表中可知該球罐盛裝的石腦油介質(zhì)中的硫化氫溶度遠(yuǎn)超標(biāo)準(zhǔn)定義的要求，因此球罐處在濕硫化氫環(huán)境中，石腦油中的硫化氫溶度越大硫化物應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂敏感性越高。

3.2介質(zhì)溫度的影響

石腦油球罐使用溫度處在常溫狀態(tài)，16 MnR材料在濕硫化氫環(huán)境中的穩(wěn)定性與溫度的關(guān)系相當(dāng)復(fù)雜[2]，GB/T 30579-2022《承壓設(shè)備損傷模式識(shí)別》中5.7.4條指出硫化物應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂通常在82 ℃以下[3]，最容易發(fā)生開(kāi)裂的溫度在0～65 ℃之間，所以球罐的運(yùn)行溫度構(gòu)成濕硫化氫腐蝕開(kāi)裂的環(huán)境。

3.3硬度導(dǎo)致開(kāi)裂的原因

硬度是控制硫化物應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的主要因素之一，在焊縫熱影響區(qū)和高硬度表面區(qū)硫化物應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂開(kāi)始萌生，沿厚度方向擴(kuò)展。從硬度檢測(cè)中明顯看出焊縫和熱影響區(qū)的硬度值已經(jīng)超過(guò)材料抗硫化物應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的最高硬度要求。當(dāng)硬度值高于200 HB（布氏硬度）時(shí)焊縫和熱影響區(qū)的韌性會(huì)有明顯下降，韌性下降會(huì)導(dǎo)致濕硫化氫中的氫原子滲透到鋼的內(nèi)部，溶解于晶格中，導(dǎo)致脆化，大大降低焊縫和熱影響區(qū)中碳化物與機(jī)體的結(jié)合強(qiáng)度，從而萌生裂紋導(dǎo)致開(kāi)裂。

3.4應(yīng)力導(dǎo)致開(kāi)裂的原因

16 MnR材料屬于低合金鋼，硫化物應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的條件要使應(yīng)力水平達(dá)到鋼板屈服極限后才會(huì)發(fā)生，應(yīng)力是造成腐蝕開(kāi)裂的最主要因素，會(huì)大大影響腐蝕開(kāi)裂的發(fā)生幾率和裂紋伸展速度[4]。球罐通常在現(xiàn)場(chǎng)組裝焊接，最后組裝的環(huán)焊縫都采用強(qiáng)力組對(duì)，否則錯(cuò)邊和棱角度會(huì)嚴(yán)重超標(biāo)，因此在環(huán)焊縫上存在冷加工變形的殘余應(yīng)力。焊接時(shí)環(huán)焊縫最后焊接，焊縫長(zhǎng)度長(zhǎng)，現(xiàn)場(chǎng)冷卻速度較快，鋼板厚焊接次數(shù)多，因此焊縫應(yīng)力狀態(tài)復(fù)雜，特別是最后焊接的環(huán)焊縫存在較大殘余應(yīng)力。環(huán)焊縫上存在咬邊，咬邊會(huì)大大削弱焊縫連接的強(qiáng)度，球罐運(yùn)行后在內(nèi)壓力作用下，咬邊處的垂直于焊縫的應(yīng)力集中會(huì)比設(shè)計(jì)應(yīng)力大2～4倍，因此球罐在運(yùn)行后環(huán)焊縫的諸多應(yīng)力使硫化物應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂成為擴(kuò)展的核心部位。

4裂紋缺陷的處理

根據(jù)TSG21-2016《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》中8.5.4條要求，球罐內(nèi)、外表面不允許有裂紋。因此在檢驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)裂紋應(yīng)打磨消除，并用磁粉檢測(cè)確認(rèn)已無(wú)裂紋為止。打磨后形成的凹坑在允許范圍內(nèi)不需要補(bǔ)焊和不影響定級(jí)。超過(guò)允許深度的需要補(bǔ)焊修理，補(bǔ)焊修理單位取得相應(yīng)資質(zhì)的單位，按照相關(guān)安全技術(shù)規(guī)范和設(shè)計(jì)資料的要求，建立質(zhì)量保證體系并且有效實(shí)施[5]。修理方案應(yīng)當(dāng)經(jīng)過(guò)原設(shè)計(jì)單位或具備相應(yīng)能力的設(shè)計(jì)單位書面同意，修理后保證結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度滿足安全使用要求[5]。補(bǔ)焊修理后應(yīng)對(duì)補(bǔ)焊的焊縫進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)。無(wú)損檢測(cè)合格后，進(jìn)行局部焊后熱處理，加熱溫度，保溫時(shí)間等應(yīng)嚴(yán)格按照GB/T 30583-2014《承壓設(shè)備焊后熱處理規(guī)程》執(zhí)行，球殼板內(nèi)外側(cè)均進(jìn)行保溫，確保球罐表面產(chǎn)生過(guò)大的溫差。補(bǔ)焊修理后應(yīng)控制焊縫和熱影響區(qū)的硬度不超過(guò)200 HB（布氏硬度）。

5濕硫化氫環(huán)境下的防護(hù)措施

5.1生產(chǎn)工藝的控制

目前國(guó)內(nèi)加工的原油大部分為高硫原油，高溫硫腐蝕幾乎貫穿整個(gè)煉油過(guò)程[6]。石腦油提煉時(shí)首先要進(jìn)行脫硫處理保證后續(xù)工藝中硫化氫的含量，提煉過(guò)程中要嚴(yán)格按照生產(chǎn)工藝的標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行，可以通過(guò)新的工藝在裝置中增加脫硫和脫水設(shè)備，盡可能降低石腦油中硫化氫和水的含量。在條件和工藝允許的情況下可以在球罐中注入緩蝕劑，可以減緩球罐受硫化物應(yīng)力腐蝕風(fēng)險(xiǎn)。

5.2合理選材

在濕硫化氫環(huán)境中服役的鋼材對(duì)強(qiáng)度硬度、金相組織、化學(xué)成分有要求。材料標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的屈服強(qiáng)度下限值ReL≤355 MPa，實(shí)際抗拉強(qiáng)度Rm≤630 MPa，材料硬度不超過(guò)HB235（布氏硬度），具體材料硬度限制可查看HG/T 20581-2020《鋼制化工容器材料選用規(guī)定》中表6.8.2條相關(guān)要求。材料使用狀態(tài)應(yīng)至少為正火、正火+回火或調(diào)質(zhì)等，材料中不得添加鉛、硒等元素。選用合適的鋼材有利于抵抗?jié)窳蚧瘹洵h(huán)境破壞。

5.3應(yīng)力的控制

球罐在現(xiàn)場(chǎng)組裝焊接后焊縫上產(chǎn)生大量的殘余應(yīng)力，焊縫上的咬邊會(huì)使運(yùn)行后的應(yīng)力集中，這些應(yīng)力的存在是發(fā)生硫化物應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的必要條件。球殼板在組對(duì)過(guò)程應(yīng)盡量控制對(duì)接的尺寸，減少環(huán)焊縫組對(duì)后的殘余應(yīng)力。球罐焊縫金屬對(duì)焊接熱輸入量較敏感，因此應(yīng)嚴(yán)格控制焊接電流、焊接速度，控制焊接熱輸入量不得超過(guò)焊接工藝評(píng)定報(bào)告上的最大值，減緩冷卻速度，能夠抑制焊接殘余應(yīng)力。球罐整體熱處理是為了消除球罐組焊產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，改變焊接金相組織，提高金屬的韌性和抗拉能力，防止應(yīng)力腐蝕裂紋的產(chǎn)生。

5.4檢驗(yàn)檢測(cè)技術(shù)

球罐在濕硫化氫環(huán)境下使用很容易出現(xiàn)一定程度的損傷，因此在定期檢驗(yàn)前要嚴(yán)格制定檢驗(yàn)方案，有針對(duì)性地提出檢驗(yàn)項(xiàng)目、檢測(cè)部位、檢測(cè)比例等。對(duì)于球罐內(nèi)表面的檢測(cè)，可以采用濕熒光磁粉檢測(cè)，它對(duì)裂紋有較高的檢測(cè)靈敏度，尤其在球罐內(nèi)較黑暗環(huán)境下。相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)對(duì)濕硫化氫損傷能精確測(cè)量，能夠較好區(qū)分濕硫化氫損傷和其他缺陷，得到完整的損傷三維尺寸成像數(shù)據(jù)[7]。球罐的定期檢驗(yàn)?zāi)軌蚣皶r(shí)發(fā)現(xiàn)裂紋缺陷并消除隱患，保證球罐安全使用，提高使用壽命。

6結(jié)語(yǔ)

石腦油球罐環(huán)焊縫上檢驗(yàn)出的大量裂紋為濕硫化氫環(huán)境下的應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂。目前國(guó)內(nèi)石油煉化行業(yè)大部分使用高硫原油，濕硫化氫環(huán)境下的應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂基本貫穿整個(gè)煉油化工設(shè)備?？梢酝ㄟ^(guò)優(yōu)化工藝，控制介質(zhì)中硫化氫的含量，合理選材，減少焊縫殘余應(yīng)力等措施減緩硫化物應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂。硫化物應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂已經(jīng)成為石腦油球罐安全運(yùn)行的主要風(fēng)險(xiǎn)源，發(fā)生開(kāi)裂的因素較多，因此做好球罐的全面定期檢驗(yàn)十分重要，采用先進(jìn)的檢測(cè)技術(shù)可以盡早發(fā)現(xiàn)并清除缺陷或者使缺陷的擴(kuò)展控制在安全允許的范圍之內(nèi)，從而預(yù)防事故發(fā)生，保證球罐的安全運(yùn)行。

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