加氫裝置的熱低壓分離器液位計接管開裂分析

 

引 言

煉油廠中加氫裝置是除去油品中 S.N.O 及金屬等雜質，使烯烴及部分芳烴加氫，改善油品使用性能，是各種油品在氫壓力下進行催化改質的一個統稱。隨著國內大量煉制高硫含硫的原油，從而使得石油生產與運輸中對加氫裝置的使用條件越來越苛刻，對管道的耐腐蝕性和耐壓強度要求更高[1] 。1Cr5Mo 合金鋼具有良好的組織穩定性，抗氧化性以及耐腐蝕性，被廣泛應用在石油化工的高溫硫腐蝕、高溫氫腐蝕和硫化氫腐蝕環境中[2] 。但是由于該鋼種的熱處理效果對其性能影響很大，國內外均對其有相關的標準[3-5] 。在實際生產中常出現腐蝕開裂現象,開裂是破壞性和危害性zui大的一種失效形式，受到國內外專家的普遍關注[6,7] 。

某煉油廠加氫裝置的熱低壓分離器液位計接管在裝置2009年3月開工建成后一直使用至今，在2016年2月1日出現焊縫開裂現象，該液位計支管材質為1Cr5Mo，設計無保溫。開裂部位如圖1所示。該管線介質為氫氣、硫化氫、油氣,油，操作溫度為230℃，3.85Mpa

 

本文對接管開裂部位進行斷口，腐蝕介質和腐蝕產物進行分析，尋找其出現開裂的原因，并提出可行建議，為同類環境下的材質設計上提供有用的參考。

 

1 理化分析與結果

1.1 宏觀觀察

對液位計接管進行了著色滲透處理，發現出現開裂位置位于液位計接管法蘭后手閥前彎頭焊縫。將接管縱向切割為四個部分，如圖2所示；從接管外壁可見，裂紋在焊縫焊肉及熱影響區均有分布；在焊縫熱影響區處的裂紋較焊縫中明顯。

 

接管表面無明顯腐蝕，管線的開裂位置位于焊縫熱影響區和焊縫上，平行于焊縫的裂紋細微，長度約為4cm，見圖3所示。內表面粘附較多垢物，內壁焊瘤很高。從接管內壁看，裂紋已經貫穿接管的整個管壁，在裂紋處及焊縫附近均有較多的腐蝕產物存在.

1.2 金相分析

對焊縫開裂部位進行金相觀察，可以觀察到樣品金相組織也為貝氏體+少量馬氏體；主裂紋也已經貫穿整個管壁（焊縫），有少量分支存在，呈樹枝狀，并沿晶擴展，具有應力腐蝕開裂的特征，如圖4所示。

1.3 斷口分析

將焊縫裂紋打開觀察，斷口上覆蓋很厚的腐蝕產物，清理腐蝕產物后，發現裂紋斷口主要在焊縫熱影響區，斷口表面沒有明顯的塑性變形，為脆性斷裂。斷口上腐蝕嚴重處應為裂紋zui先開裂部位，即使裂紋起源處。從斷口形貌可以觀察到裂紋主要起源于接管內壁的焊縫熱影響區處，并有多個裂紋源，如圖5所示。結果表明裂紋擴展是由管道的內壁向外擴展，直至貫穿管壁。

1.4 能譜分析

通過對于接管斷口上多個特征區域的掃描電鏡分析，腐蝕產物主要由Fe、O、S構成，還有C、Si、Ti、Cr等元素少量存在，如圖6A,B所示，S的含量很高。確認在斷口上有大量S元素的富集，表明接管的斷裂與管內存在的硫化氫介質有關。

1.5 材質成分分析

借助于掃描電鏡能譜儀，對接管焊縫、熱影響區、母材等4個區域，進行成分分析。其結果表明，接管材質為1Cr5Mo鋼，接管焊縫、熱影響區、母材等4個區域的成分基本相同，均含5%Cr左右，見表1所示。

1.6 硬度分析

使用HX-1型顯微硬度計對焊縫區、裂紋區（熱影響區）、接管母材區進行硬度值測試。結果發現接管母材區硬度為152.2 HV 0.1 ，但是焊縫熱影響區硬度高達397.5 HV 0.1 如表2所示：

2 分析與討論

該接管的焊接屬于“同質焊接”。從斷口形貌可以觀察到裂紋從內部起源，經擴展到管道的外表面，斷面呈脆性斷裂。內部腐蝕產物主要由Fe、O、S構成，局部區域S的含量很高；故表明“硫化物應力腐蝕開裂”（SSCC）是導致這次泄漏事故的原因。

 

由于接管所處的環境中含有H 2 S，接管在容器罐體外部，沒有設置保溫層，在季候性低溫天氣的影響下，容易使接管內壁出現含有H 2 S的溶液。為保證焊接質量，對Cr5Mo鋼焊接工藝要求十分苛刻，要求焊前預熱及焊后熱處理。并規定1Cr5Mo鋼同質接頭硬度≤HB225（即HV226，HRC20.0）[8,9] 。

 

但是通過對接管焊縫、熱影響區、母材區域金相組織及硬度檢測，確認在接管焊縫及熱影響區存在著淬硬的貝氏體+馬氏體，硬度高達HRC40左右，表明該接管在焊接時熱處理效果不佳。使該部位成為濕硫化氫應力開裂的敏感部位。在該腐蝕環境中，該結構件產生“硫化物應力腐蝕開裂”（SSCC）[10] 。焊接熱影響區硬度越高，越易發生SSCC。所以接管內濕H 2 S的存在以及接管焊縫及熱影響區的高硬度，是導致接管開裂的主要因素。

 

3 結論及建議

（1）焊縫部位出現裂紋的性質是屬于硫化物應力開裂。

（2）對接管焊縫、熱影響區、母材區域金相組織及硬度檢測，確認在接管焊縫及熱影響區存在著淬硬的貝氏體+馬氏體，硬度高達HRC40左右。

（3）由于沒有保溫層保護，在季節性氣候影響下，接管內部，形成濕H 2 S腐蝕環境。

 

4 建議

（1）管道焊接后按照預防濕硫化氫腐蝕進行熱處理，并嚴格控制熱處理工藝。

（2）建議該處包扎保溫，安裝伴熱管，防止形成濕H 2 S腐蝕環境。

 

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