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加氢装置的热低压分离器液位计接管开裂问题解


文章日期:2018-06-29|阅读数:


 摘 要:加氢装置的热低压分离器液位计接管在服役过程中出现焊缝开裂现象。本文分别采用断口宏观及微观观察,金相组织观察,能谱分析对裂纹部位进行理化分析,并结合现场工况对其开裂原因进行了综合讨论。结果表明:分离器液位计接管焊缝硬度高达 397.5 HV 0.1 ,对应力腐蚀开裂较敏感;在湿硫化氢存在的情况下,发生了硫化物应力开裂。同时提出有用的建议,为类似工况环境的装置设计提供可行的依据和经验。

 
引言:炼油厂中加氢装置是除去油品中 S.N.O 及金属等杂质,使烯烃及部分芳烃加氢,改善油品使用性能,是各种油品在氢压力下进行催化改质的一个统称。随着国内大量炼制高硫含硫的原油,从而使得石油生产与运输中对加氢装置的使用条件越来越苛刻,对管道的耐腐蚀性和耐压强度要求更高[1] 。1Cr5Mo 合金钢具有良好的组织稳定性,抗氧化性以及耐腐蚀性,被广泛应用在石油化工的高温硫腐蚀、高温氢腐蚀和硫化氢腐蚀环境中[2] 。但是由于该钢种的热处理效果对其性能影响很大,国内外均对其有相关的标准[3-5] 。在实际生产中常出现腐蚀开裂现象,开裂是破坏性和危害性***大的一种失效形式,受到国内外的普遍关注[6,7] 。
 
某炼油厂加氢装置的热低压分离器液位计接管在装置2009年3月开工建成后一直使用至今,在2016年2月1日出现焊缝开裂现象,该液位计支管材质为1Cr5Mo,设计无保温。开裂部位如图1所示。该管线介质为氢气、硫化氢、油气,油,操作温度为230℃,3.85Mpa
 
本文对接管开裂部位进行断口,腐蚀介质和腐蚀产物进行分析,寻找其出现开裂的原因,并提出可行建议,为同类环境下的材质设计上提供有用的参考。
 
1 理化分析与结果
1.1 宏观观察
对液位计接管进行了着色渗透处理,发现出现开裂位置位于液位计接管法兰后手阀前弯头焊缝。将接管纵向切割为四个部分,如图2所示;从接管外壁可见,裂纹在焊缝焊肉及热影响区均有分布;在焊缝热影响区处的裂纹较焊缝中明显。
 
接管表面无明显腐蚀,管线的开裂位置位于焊缝热影响区和焊缝上,平行于焊缝的裂纹细微,长度约为4cm,见图3所示。内表面粘附较多垢物,内壁焊瘤很高。从接管内壁看,裂纹已经贯穿接管的整个管壁,在裂纹处及焊缝附近均有较多的腐蚀产物存在.
管道内壁形貌腐蚀产物形貌
1.2 金相分析
对焊缝开裂部位进行金相观察,可以观察到样品金相组织也为贝氏体+少量马氏体;主裂纹也已经贯穿整个管壁(焊缝),有少量分支存在,呈树枝状,并沿晶扩展,具有应力腐蚀开裂的特征,如图4所示。
 
1.3 断口分析
将焊缝裂纹打开观察,断口上覆盖很厚的腐蚀产物,清理腐蚀产物后,发现裂纹断口主要在焊缝热影响区,断口表面没有明显的塑性变形,为脆性断裂。断口上腐蚀严重处应为裂纹***先开裂部位,即使裂纹起源处。从断口形貌可以观察到裂纹主要起源于接管内壁的焊缝热影响区处,并有多个裂纹源,如图5所示。结果表明裂纹扩展是由管道的内壁向外扩展,直至贯穿管壁。
断口形貌
1.4 能谱分析
通过对于接管断口上多个特征区域的扫描电镜分析,腐蚀产物主要由Fe、O、S构成,还有C、Si、Ti、Cr等元素少量存在,如图6A,B所示,S的含量很高。确认在断口上有大量S元素的富集,表明接管的断裂与管内存在的硫化氢介质有关。
接管断口的 SEM 和 EDS
1.5 材质成分分析
借助于扫描电镜能谱仪,对接管焊缝、热影响区、母材等4个区域,进行成分分析。其结果表明,接管材质为1Cr5Mo钢,接管焊缝、热影响区、母材等4个区域的成分基本相同,均含5%Cr左右,见表1所示。
接管材质化学分析(wt%)
1.6 硬度分析
使用HX-1型显微硬度计对焊缝区、裂纹区(热影响区)、接管母材区进行硬度值测试。结果发现接管母材区硬度为152.2 HV 0.1 ,但是焊缝热影响区硬度高达397.5 HV 0.1 如表2所示:
硬度分析结果
2 分析与讨论
该接管的焊接属于“同质焊接”。从断口形貌可以观察到裂纹从内部起源,经扩展到管道的外表面,断面呈脆性断裂。内部腐蚀产物主要由Fe、O、S构成,局部区域S的含量很高;故表明“硫化物应力腐蚀开裂”(SSCC)是导致这次泄漏事故的原因。
 
由于接管所处的环境中含有H 2 S,接管在容器罐体外部,没有设置保温层,在季候性低温天气的影响下,容易使接管内壁出现含有H 2 S的溶液。为保证焊接质量,对Cr5Mo钢焊接工艺要求十分苛刻,要求焊前预热及焊后热处理。并规定1Cr5Mo钢同质接头硬度≤HB225(即HV226,HRC20.0)[8,9] 。
 
但是通过对接管焊缝、热影响区、母材区域金相组织及硬度检测,确认在接管焊缝及热影响区存在着淬硬的贝氏体+马氏体,硬度高达HRC40左右,表明该接管在焊接时热处理效果不佳。使该部位成为湿硫化氢应力开裂的敏感部位。在该腐蚀环境中,该结构件产生“硫化物应力腐蚀开裂”(SSCC)[10] 。焊接热影响区硬度越高,越易发生SSCC。所以接管内湿H 2 S的存在以及接管焊缝及热影响区的高硬度,是导致接管开裂的主要因素。
 
3 结论及建议
(1)焊缝部位出现裂纹的性质是属于硫化物应力开裂。
(2)对接管焊缝、热影响区、母材区域金相组织及硬度检测,确认在接管焊缝及热影响区存在着淬硬的贝氏体+马氏体,硬度高达HRC40左右。
(3)由于没有保温层保护,在季节性气候影响下,接管内部,形成湿H 2 S腐蚀环境。
 
4 建议
(1)管道焊接后按照预防湿硫化氢腐蚀进行热处理,并严格控制热处理工艺。
(2)建议该处包扎保温,安装伴热管,防止形成湿H 2 S腐蚀环境。


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