(上海石化股份有限公司，上海 200540)

石化設(shè)備脆裂述評

余存燁

(上海石化股份有限公司，上海 200540)

介紹了石油化工設(shè)備在各種苛刻環(huán)境下的脆裂破壞現(xiàn)象。包括相變脆裂、應(yīng)力腐蝕開裂、氫脆、高溫脆裂、低溫脆性、焊接加工等脆裂。分析了脆裂原因，并提出防護(hù)措施。

石化設(shè)備 應(yīng)力腐蝕開裂 氫脆 高溫脆裂 低溫脆性 焊接脆裂 防護(hù)

0 引言

石油化工設(shè)備在高溫或低溫、高壓甚至超高壓、承受拉應(yīng)力或交變應(yīng)力、以及酸堿鹽和有害離子強(qiáng)腐蝕等嚴(yán)酷的環(huán)境下工作，所采用的材料有時(shí)會發(fā)生脆裂，造成災(zāi)難性破壞，不僅使生產(chǎn)停頓，而且設(shè)備破損需修復(fù)或報(bào)廢，以及物料流失、環(huán)境污染，甚至引起火災(zāi)和人員傷亡。因此對石油化工設(shè)備有關(guān)各種脆裂問題進(jìn)行分析非常必要，以便總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，吸取教訓(xùn)，免蹈覆轍，防患于未然。

1 由組織相變引起的脆裂

1.1 回火脆性

CrMo合金鋼熱處理通過緩慢冷卻或在340～600℃下長期操作，會產(chǎn)生晶界沉淀或吸附的韌性劣化現(xiàn)象，表現(xiàn)為沖擊值很低，并且冷脆轉(zhuǎn)變溫度較高。發(fā)生脆裂的主要有加氫反應(yīng)器、換熱器、管件、螺栓等。尤其在設(shè)備開停車升壓降壓時(shí)，有可能引起脆性破壞。這種回火脆性與P、Sn、As、Sb微量不純物元素，以及Mn、Si等合金元素偏析于晶界，急劇降低表面能，使晶界易于裂開，其驅(qū)動(dòng)力是與合金元素與雜質(zhì)元素交互作用有關(guān)?；鼗鸫嘈允强赡娴模鐚⒋嗷匿摬募訜岬?00℃以上急冷，則可恢復(fù)韌性?；鼗鸫嘈悦舾行砸才c奧氏體化溫度和從奧氏體化的冷卻速度有很大關(guān)系。提高奧氏體化溫度，會使晶粒長大，容易脆化。冷卻速度不同會形成不同的細(xì)微組織，其脆化敏感性以珠光體最小，貝氏體居中，馬氏體最大。為了避免回火脆性，所選用的鋼種應(yīng)是經(jīng)VOD冶煉，控制化學(xué)成分及微量元素，組織致密、性能均勻的鋼。

1.2 石墨化

石墨化也稱黑脆。碳鋼和碳鉬鋼，尤其是全鎮(zhèn)靜鋼及細(xì)晶粒鋼在450~600℃操作的反應(yīng)器、再生器進(jìn)料管線和鍋爐管子，在550℃長期使用時(shí)最易發(fā)生石墨化，石墨化會促進(jìn)蠕變，又將引起爆破事故。早年灰口鑄鐵的自來水管常常因石墨化而發(fā)生爆裂。滲碳體分解成碳和石墨，碳以石墨質(zhì)點(diǎn)析出并形成鏈狀，特別是在焊縫側(cè)會造成斷面脆化。為避免石墨化應(yīng)采用添加鉻的鋼。

1.3 475℃脆性

含鉻大于13%的鐵素體不銹鋼，以及雙相不銹鋼在350～550℃時(shí)生效，會發(fā)生物理性質(zhì)變化，并增硬變脆。是由于生成一種富鉻的α｀相。此相分子式為CrFe(Cr61%～83%)。它在光學(xué)顯微鏡下難以觀察到，它以非常細(xì)小亞顯微的顆粒在鐵素體基體內(nèi){100}晶面及錯(cuò)位析出，從而使滑移難以進(jìn)行，而孿生易于進(jìn)行，會在孿晶面形成解理斷裂的核。因而α｀相存在會使鋼的硬度提高，韌性降低，并且喪失抗腐蝕能力。雖然它不可能存在于焊接和退火后冷卻處理的組織中，但是鐵素體與雙相不銹鋼在大于350℃使用時(shí)可能出現(xiàn)嚴(yán)重的α｀相而脆化。因此對鐵素體與雙相不銹鋼，當(dāng)設(shè)備處于長時(shí)間使用時(shí)，其最大的使用溫度為250～300℃。為解決這類脆性問題，可通過熱處理，固溶α｀相而給予消除。

1.4 σ脆性

高鉻鉬奧氏體、鐵素體及雙相不銹鋼均容易產(chǎn)生金屬間化合物。最重要的是σ相，其組成類型可寫成AB，分子式為CrMoFeNi。鐵素體形成元素較會誘發(fā)σ相，溫度大致在500～1050℃。如裂解爐管、催化再生器管子管件等，尤其是存在缺口受震動(dòng)或其它重復(fù)應(yīng)力的任何設(shè)備、結(jié)構(gòu)或零部件，易產(chǎn)生σ脆性。雖然通過固溶退火可使σ相降至最少，但鋼錠中偏析的存在，仍會有σ相在晶界析出，或少量在晶內(nèi)生成。σ相是硬又脆的相，對鋼的塑性與韌性帶來不利影響，如含＜5%的σ相，就可使鋼的沖擊強(qiáng)度與韌性大大降低。通過均勻化處理可以減少這種不利影響。此外，σ相的形成導(dǎo)致了在其周圍基體Cr、Mo貧化，造成耐腐蝕性嚴(yán)重下降。除了σ相，還有χ相，其組成類型為A48B10，分子式Fe36Cr12Mo10，溫度范圍大致在600～900℃。由于其形成溫度與σ相基本相同，常常與σ相共同存在，但其數(shù)量較少，χ相也降低韌性與耐腐蝕性。

1.5 馬氏體相變

18-8Cr-Ni不銹鋼鎳當(dāng)量低，為亞穩(wěn)定奧氏體不銹鋼，在常溫下冷加工會生成形變馬氏體，而由局部腐蝕陰極析氫也會產(chǎn)生氫致馬氏體，這樣由于馬氏體生成，促使位錯(cuò)與堆垛層錯(cuò)發(fā)展，以致產(chǎn)生表面裂紋。另外馬氏體與奧氏體腐蝕電位相差100mv，馬氏體易于被腐蝕。18-8鋼中的馬氏體相不僅對氯脆，而且對硫脆均有促進(jìn)作用。

2 由全面或局部腐蝕引起的脆裂

2.1 晶間腐蝕

18-8奧氏體不銹鋼經(jīng)425～870℃范圍加熱或冷卻時(shí)，碳遷移至晶界，與鉻結(jié)合形成碳化鉻，造成晶界附近區(qū)域貧鉻，從而受到選擇性的微電偶腐蝕。由于發(fā)生晶間腐蝕，降低了晶粒間結(jié)合力，失去了金屬聲，機(jī)械性能完全喪失，甚至用手就可拗?jǐn)?，只要用很小的外力就能脆裂。有時(shí)把此現(xiàn)象稱為晶界沉淀引起的脆性。雖然石化設(shè)備現(xiàn)多采用超低碳或穩(wěn)定化不銹鋼，因而發(fā)生晶間腐蝕大為減少，但設(shè)備制作多用焊接，由于施工不當(dāng)、未作焊后處理等，也易發(fā)生焊區(qū)晶間腐蝕，甚至應(yīng)力腐蝕開裂。如煉油裝置中停車期間會發(fā)生多硫酸應(yīng)力腐蝕開裂，這種腐蝕開裂，實(shí)際是晶間腐蝕的加速形式。為防止晶間腐蝕或開裂，最好焊后應(yīng)進(jìn)行熱處理，尤其對含鈦鈮的321、347不銹鋼，要在900℃進(jìn)行穩(wěn)定化處理。

2.2 全面腐蝕

全面腐蝕或均勻腐蝕以及沖刷腐蝕，由于設(shè)備或管道大面積出現(xiàn)減薄，壁厚強(qiáng)度不夠?qū)е滤苄云屏?。一般在設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)使用年限確定腐蝕裕量，并通過對設(shè)備和管道定期測厚進(jìn)行控制。

2.3 點(diǎn)腐蝕

不銹鋼等鈍性金屬，由于存在非金屬夾雜，如MnS，或氧化膜薄弱部位，往往成為點(diǎn)蝕的核心。在有某種氧化劑和同時(shí)有活性陰離子(如Ci-)的溶液中，常發(fā)生點(diǎn)狀潰蝕或腐蝕小孔。在某些容器或管道的點(diǎn)腐蝕鄰近部位，壁厚相對于正常部位減薄，容易在內(nèi)部較大壓力下發(fā)生破裂，如PTA裝置干燥機(jī)中的316L傳熱管曾發(fā)生過局部點(diǎn)腐蝕穿孔而開裂。局部的深坑腐蝕可以引起應(yīng)力集中，在深坑周圍產(chǎn)生較高的局部應(yīng)力，它可能成為應(yīng)力腐蝕開裂和腐蝕疲勞的起點(diǎn)，有可能發(fā)生韌性破裂或脆性破壞。

2.4 縫隙腐蝕

鈦與不銹鋼容易發(fā)生縫隙腐蝕?？p隙腐蝕常常發(fā)生在換熱器管子管板脹接部、法蘭密封面、緊固件、積垢或沉積物下部等。縫隙腐蝕有時(shí)也會引起開裂。如鈦制濕氯冷卻器由于管子管板脹接部縫隙腐蝕，引起腐蝕產(chǎn)物體積膨脹及氫脆，曾發(fā)生過管子破裂失效。不銹鋼設(shè)備的縫隙腐蝕部位可能成為應(yīng)力腐蝕開裂的起點(diǎn)。又如密封墊片選用不當(dāng)不僅引起縫隙腐蝕，也可能發(fā)生電偶腐蝕，甚至促進(jìn)開裂。如密封墊片含石墨可引起電偶腐蝕，含氯離子會造成不銹鋼法蘭應(yīng)力腐蝕開裂，含銨鹽可引起黃銅法蘭應(yīng)力腐蝕開裂。

2.5 露點(diǎn)腐蝕

石化設(shè)備和管道在某種條件下會結(jié)露生成鹽酸、硫酸、硝酸、碳酸、氫溴酸等引起露點(diǎn)腐蝕而造成開裂。如催化再生器器壁結(jié)露生成硝酸而發(fā)生開裂。常頂冷凝系統(tǒng)結(jié)露生成鹽酸而發(fā)生開裂。

2.6 電偶腐蝕

異種金屬聯(lián)結(jié)往往會發(fā)生電偶腐蝕，在某種條件下會產(chǎn)生脆裂。如脫硫再生塔頂冷凝冷卻系統(tǒng)、催化分餾塔頂吸收解吸系統(tǒng)，焊接碳鋼、鉻鉬鋼使用不銹鋼焊條會發(fā)生開裂。又如鈦合金管子與不銹鋼析流板、碳鋼殼體、黃銅管板制作換熱器在海水，含Cl-的濕硫化氫等介質(zhì)中容易造成不銹鋼、碳鋼、黃銅加速腐蝕，也會造成陰極鈦合金吸氫致脆。

2.7 相變腐蝕

相變腐蝕多發(fā)生在有氣液相變的設(shè)備與管線中，如汽提塔頂管道和冷凝冷卻器、再沸器等。由于相變是物流體積變化形成壓力差，形成的氣泡在壓力作用下破裂并高頻率撞擊金屬器壁，或液體在金屬器壁急劇沸騰、汽化、汽泡炸裂，形成蝕坑，即造成類似空泡腐蝕的爆沸腐蝕，由于壁厚全面減薄而破裂。

2.8 雜散電流腐蝕

雜散電流對城市地下管道，尤其對燃?xì)夤艿?、熱水管道腐蝕或開裂威脅較大。

3 由應(yīng)力腐蝕引起的脆裂

3.1 氯脆

氯化物應(yīng)力腐蝕開裂(CSCC)，簡稱氯脆。它是化工與石化企業(yè)奧氏體不銹鋼設(shè)備發(fā)生腐蝕失效損害最嚴(yán)重的形式之一。發(fā)生CSCC溫度范圍為50～300℃，而氯離子濃度應(yīng)在10ppm以上。但即使1ppm的微量氯離子，如在干濕交替、沉積垢下的濃縮富集環(huán)境也容易發(fā)生CSCC。煉油加工中的氯化物，主要來自開采原油時(shí)帶入的油田水，其中含氯化鈉等無機(jī)鹽及電脫鹽無法脫除的有機(jī)氯化物。這些氯化物受熱分解產(chǎn)生強(qiáng)腐蝕性的氯化氫，即鹽酸。在常減壓裝置塔頂部、冷凝冷卻器、空冷器和塔頂管線，制氫裝置的轉(zhuǎn)化爐管、催化重整裝置預(yù)加氫、重整有關(guān)不銹鋼設(shè)備等均會發(fā)生CSCC。由于CSCC發(fā)生開始后沒有切實(shí)可行的方法使其停止，而最好的預(yù)防方法就是選用抗CSCC的合金。已證明，不銹鋼的鎳含量在8%-12%時(shí)對CSCC最為敏感。為防止CSCC，一是降低鎳含量，采用鐵素體不銹鋼，如405、444；二是提高鎳含量，再加Mo、N等元素的高鎳鉻不銹鋼或雙相不銹鋼，如904L、254SMO、2205、2507等，可提高抗CSCC能力，如鎳含量高至45%，采用鐵鎳基或鎳基合金，如690、C276，則可完全避免CSCC。

3.2 硫脆

硫化物應(yīng)力腐蝕開裂(SSCC)，簡稱硫脆。它分為由硫化氫和連多硫酸引起的應(yīng)力腐蝕開裂。在低溫HCN-H2S-H2O與H2S-H2O系統(tǒng)中會產(chǎn)生SSCC。尤其在催化吸收穩(wěn)定系統(tǒng)的不銹鋼與碳鋼、低合金鋼設(shè)備，當(dāng)鋼材中存在拉應(yīng)力時(shí)，并且如鋼材內(nèi)部產(chǎn)生氫致裂紋，就容易發(fā)生脆裂。介質(zhì)呈酸性時(shí)較易發(fā)生SSCC，反之則較難。但如果有CN-存在，即使在堿性溶液中，也能發(fā)生這種破壞。

加氫裂化、加氫精制、脫硫、催化等裝置的奧氏體不銹鋼設(shè)備，包括爐管、熱交換器、熱壁容器和容器襯里存在連多硫酸引起的應(yīng)力腐蝕開裂。連多硫酸是反應(yīng)器停工檢修時(shí)，硫化鐵與水和空氣中的氧反應(yīng)而生成的，它引起敏化的不銹鋼內(nèi)件與堆焊層的SSCC。實(shí)際是晶間應(yīng)力腐蝕斷裂。連多硫酸引起的應(yīng)力腐蝕開裂被認(rèn)為是使用奧氏體不銹鋼幾乎所有煉油工藝中普遍存在的問題。它在停工檢修時(shí)處于常溫條件下可在不足一個(gè)小時(shí)便已發(fā)生斷裂，因而危害很大。在無Cl-情況下，可采用含Ti、Nb的穩(wěn)定型不銹鋼347、321，而在有Cl-情況下，應(yīng)采用800H(Cr20Ni32Fe48)合金。一般應(yīng)按NACE RP-01-70標(biāo)準(zhǔn)的要求和步驟進(jìn)行處理，即采用堿性溶液作中和清洗。

3.3 堿脆

堿致應(yīng)力腐蝕開裂(ASCC)，簡稱堿脆。碳鋼在濃的(＞30%)或熱又稀的NaOH中，由于生成可溶性的鐵酸鈉，當(dāng)有拉應(yīng)力存在時(shí)，就會發(fā)生ASCC。如鋼制堿洗罐焊縫常出現(xiàn)裂縫。工業(yè)鍋爐在高溫下，水冷壁管上附著的水垢和其它沉積物垢下，堿性爐水滲入其中，會在垢下高度濃縮，造成管子堿脆泄漏。PE裝置的熱水貯槽汽液交界部曾發(fā)生過堿脆。奧氏體不銹鋼在高溫(沸點(diǎn)上下)的堿溶液也會產(chǎn)生ASCC。如PTA裝置對加氫反應(yīng)器的催化劑要進(jìn)行不停車高溫堿洗(270℃、5%NaOH)，曾使304L復(fù)層焊縫發(fā)生過ASCC。

3.4 硝脆

由硝酸鹽引起的應(yīng)力腐蝕開裂，簡稱硝脆。僅對碳鋼與低合金鋼會發(fā)生硝脆。如催化裝置再生器等煙氣中NOX過高造成的硝脆。NOX在內(nèi)壁結(jié)露區(qū)生成硝酸，硝酸進(jìn)一步生成硝酸鹽，在焊接區(qū)的應(yīng)力作用下，設(shè)備出現(xiàn)穿透性沿晶裂紋。為防止硝脆，對老裝置采用增加保溫，提高壁溫防止結(jié)露；對新裝置采用消除應(yīng)力退火或內(nèi)噴合金鍍層等措施。

3.5 碳脆

由碳酸鹽、碳酸或二氧化碳、一氧化碳的水溶液引起的應(yīng)力腐蝕開裂，簡稱碳脆。在制氫脫碳系統(tǒng)與脫硫裝置的RNH2-CO2-H2S-H2O系統(tǒng)均會發(fā)生碳脆。在脫碳系統(tǒng)的貧液和富液中均含有K2CO3、KHCO3，多會造成碳鋼設(shè)備應(yīng)力腐蝕開裂。制氫裝置的奧氏體不銹鋼制造的石腦油蒸發(fā)器在高溫CO2-CO32--H2O條件下發(fā)生過應(yīng)力腐蝕開裂。脫硫裝置的再生塔及高溫胺液管線，由于碳酸和碳酸鹽及設(shè)備焊后殘余應(yīng)力的共同作用，會引起應(yīng)力腐蝕開裂。

3.6 氰脆

由氰氫酸引起的應(yīng)力腐蝕開裂，簡稱氰脆。丙烯腈裝置的碳鋼管道，在輸送AN-HCN-H2O物料時(shí)，由于HCN含量超過10%，曾發(fā)生過應(yīng)力腐蝕開裂，應(yīng)采用304不銹鋼可防開裂。

3.7 溴脆

由溴化物引起的應(yīng)力腐蝕開裂，簡稱溴脆。PTA裝置制取對苯二甲酸采用氧化工藝需用溴化物作助催化劑。這樣使用奧氏體不銹鋼的設(shè)備(如干燥機(jī))在高溫含溴醋酸環(huán)境下會使殼體及管子開裂。

3.8 氨脆

對銅合金容易由氨、胺引起的應(yīng)力腐蝕開裂，簡稱氨脆。如蒙乃爾合金曾被推薦用于常頂襯里。但蒙乃爾合金如與游離氨接觸會發(fā)生氨脆。而常減壓裝置需工藝防腐多采用注氨水或有機(jī)胺，這就有可能使銅合金產(chǎn)生氨脆。銅合金換熱器如用檸檬酸加氨水清洗可能產(chǎn)生破裂。碳鋼制作的液氨貯槽或球罐如加工殘余應(yīng)力未消除，很可能發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂。

3.9 氟脆

由氟化物引起的應(yīng)力腐蝕開裂，簡稱氟脆。Cr-Ni不銹鋼在氫氟酸、氟硅酸和含F(xiàn)-的水溶液，同時(shí)在拉應(yīng)力作用下，會產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕開裂。 尤其是敏化態(tài)的不銹鋼，甚至在室溫僅含2ppm F-的水中，即可引起開裂。不銹鋼設(shè)備酸洗常常采用HNO3+HF水溶液，應(yīng)防止發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂。

4 由氫引起的脆裂

4.1 高溫氫侵蝕

加氫裂化、加氫精制、催化重整等裝置在高溫高壓臨氫或H2+H2S環(huán)境下會產(chǎn)生氫侵蝕。氫侵蝕包括氫鼓泡、氫脆、表面脫碳、氫腐蝕(內(nèi)部脫碳)。高溫臨氫設(shè)備和管線產(chǎn)生的氫侵蝕主要以氫腐蝕(內(nèi)部脫碳)及表面脫碳。氫腐蝕(內(nèi)部脫碳)是指高溫高壓下氫滲入鋼材后與碳反應(yīng)生成甲烷，甲烷不易逸出，造成較大的局部應(yīng)力，使之形成晶間裂紋與鼓泡，延性降低，材料永久性脆化。材料選用應(yīng)參照納爾遜曲線規(guī)定，在低溫下碳鋼和低合金鋼能滿足使用要求，但在425℃以上的高溫高壓下，奧氏體不銹鋼具有良好的抗氫腐蝕性能。如加氫反應(yīng)器的復(fù)合材料和內(nèi)件是用347、309、308鋼制造的，這些鋼既有很好的耐氫腐蝕性能，又有很好的耐硫腐蝕性能。表面脫碳是指高溫氫僅和表面碳發(fā)生反應(yīng)，從而使鋼材表面含碳量下降。表面脫碳雖不形成裂紋，但強(qiáng)度稍下降，延伸率增高。氫脆是指氫原子滲入鋼材后，使其晶粒結(jié)合力下降造成鋼材延伸率和斷面收縮率下降或延遲破壞現(xiàn)象，但可通過加熱使氫逸出而消除氫脆。

4.2 常溫氫侵蝕

常溫氫侵蝕主要指H2S+H2O腐蝕系統(tǒng)中發(fā)生的開裂失效。濕硫化氫環(huán)境應(yīng)力腐蝕開裂形式有氫鼓泡(HB)、氫致開裂(HIC)、硫化物應(yīng)力開裂(SSC)、應(yīng)力導(dǎo)向氫致開裂(SOHIC)四類。除了油田氣開發(fā)設(shè)備外，主要為煉油廠二次加工裝置的輕油部位。如催化的吸收穩(wěn)定設(shè)備、干氣液化氣脫硫設(shè)備、加氫脫硫的冷卻器與高壓分離器、酸性水汽提塔等。HB常發(fā)生于鋼中夾雜物或缺陷處，分布于平行鋼板表面，它發(fā)生不需要外力。HIC會形成有階梯狀特征的開裂，鋼中MnS夾雜的帶狀分布增加HIC的敏感性，它發(fā)生也不需要外力。SSC是由硫化物腐蝕產(chǎn)生的氫原子滲透溶解于晶格中導(dǎo)致脆性，在拉應(yīng)力作用下形成開裂。它常發(fā)生于焊縫及熱影響區(qū)的高硬度區(qū)。SOHIC的發(fā)生，是由于在應(yīng)力作用下，在夾雜物或缺陷處因氫聚集而形成成排的小裂紋，沿著垂直于應(yīng)力方向發(fā)展而形成開裂。它常發(fā)生于焊縫及熱影響區(qū)及高應(yīng)力集中區(qū)。由于是沿壓力容器壁厚穿透性開裂，它對安全威脅更大。為防止氫侵蝕開裂，應(yīng)加強(qiáng)對原材料檢查，嚴(yán)格控制焊縫化學(xué)成分，設(shè)備進(jìn)行焊后熱處理，限制焊縫硬度不大于HB200或RC22。

4.3 氫化物氫脆

鈦、鋯在腐蝕性環(huán)境中不僅能吸氫，還能生產(chǎn)脆性的氫化物，如TiH2、ZrH2。由于氫化物與基體結(jié)合力差以及二者彈性模量不同，會造成開裂，裂紋沿氫化物與基體交界面擴(kuò)展。這對鈦制和鋯制化工設(shè)備在某些腐蝕環(huán)境中使用尤要注意。

5 由材料內(nèi)在質(zhì)量引起的脆裂

5.1 低溫脆性

鋼的低溫脆性或冷脆性表明鋼在較低溫度下對缺口敏感性增大，沖擊韌性降低，其破壞為低應(yīng)力脆斷，其應(yīng)力一般低于鋼材的屈服強(qiáng)度，往往低于設(shè)計(jì)許用應(yīng)力，破壞之前無明顯的塑性變形。這對在低溫或室溫操作的碳鋼管件、閥門、結(jié)構(gòu)和容器尤要注意。選用鋼材應(yīng)掌握其韌性態(tài)變?yōu)榇嘈詰B(tài)變的溫度(DBT)。因?yàn)殇摬娜缭诘陀贒BT使用會迅速斷裂。由于脫氧不完全，加工溫度高，冷作時(shí)存在缺口和急彎、表面有缺陷等均容易造成低溫脆性。為防止環(huán)境低溫脆斷，對熱軋態(tài)的低碳鋼，應(yīng)減少鋼中碳含量、降低硅含量和游離態(tài)的氮以及有害元素硫磷含量，適當(dāng)提高錳含量。細(xì)化晶粒、球化脆化第二相可改善鋼材的冷脆性。對低溫使用的重要設(shè)備應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況選用高鎳合金鋼或奧氏體不銹鋼，也可以采用耐低溫的低合金鋼，如09Mn2VR。對有低溫脆性破壞的鋼材制成的容器進(jìn)行水壓試驗(yàn)時(shí)，試驗(yàn)溫度應(yīng)比沖擊試驗(yàn)溫度高20℃以上。

5.2 時(shí)效和應(yīng)變時(shí)效

沸騰鋼和半鎮(zhèn)靜的低碳鋼在210～480℃時(shí)效，會沉淀出微細(xì)的氮化物，而使硬度增加，延性和耐沖擊性降低，造成所謂藍(lán)脆，通常在速冷或冷作之后進(jìn)行，即應(yīng)變更加劇時(shí)效脆化。對關(guān)鍵部位使用的管件、閥門、管線應(yīng)采用全鎮(zhèn)靜鋼或細(xì)晶粒鋼。

6 由高溫服役引起的脆裂

6.1 滲碳與碳化(粉塵化)

滲碳是碳在合金中被吸收、擴(kuò)散與生成碳化物的過程。特別是乙烯裂解爐管處于1000～1050℃烴氫混合氣中，會促進(jìn)高鉻鎳不銹鋼滲碳。即合金中鉻被轉(zhuǎn)化為Cr23C6、Cr7C3、Cr2C3，滲碳作用會降低材料的塑性和抗蠕變性，滲碳從表面向中部發(fā)展，表面滲碳層與中部相比，兩者熱脹系數(shù)差異很大，因而會增加內(nèi)應(yīng)力而導(dǎo)致破裂。如乙烯裂解爐管原用HK(Cr20Ni25)常發(fā)生滲碳開裂，后改用HP(Cr25Ni35)，HP比HK有更高的抗?jié)B碳性能。但近年為提高乙烯收率，使用溫度不斷提高，有的廠已采用Cr35Ni45合金。

在烴類氣體存在下連續(xù)對金屬過度加熱，如過量的碳擴(kuò)散到金屬中，達(dá)到高碳合金程度，這種合金在室溫下延性很差。由此形成的碳化鉻在氧化條件下易于快速氧化，金屬碳化物消失而留下空洞，這種現(xiàn)象稱為碳化或粉塵化，或被稱為災(zāi)難性滲碳。乙烯裂解、催化裂化、延遲焦化等裝置碳鋼、低鉻結(jié)構(gòu)鋼、不銹鋼部件，如裂解爐合金彎管曾發(fā)生過碳化。

6.2 蠕變

金屬與合金由于長期處于高溫條件下，因應(yīng)力的作用而產(chǎn)生緩慢連續(xù)的塑性變形和斷裂現(xiàn)象，稱為蠕變。蠕變溫度約為熔化溫度的30%。如碳鋼和低合金鋼通常考慮以350～500℃為蠕變溫度界限。如電廠鍋爐過熱器管采用20號碳鋼，在400℃長期運(yùn)行，表面能高的片狀珠光體會向表面能低的球狀珠光體轉(zhuǎn)化，珠光體球化導(dǎo)致鋼的蠕變極限和持久極限降低因而導(dǎo)致鋼管在運(yùn)行中因組織嚴(yán)重球化促進(jìn)蠕變加速，最終爆破失效。如采用15CrMo鋼，在＜500℃長期運(yùn)行，其蠕變量極小，但由于局部過熱(超過500℃)會導(dǎo)致組織變化，而引起蠕變失效。如鋼管組織合金鐵素體析出Cr7C3、Mo2C，珠光體中Fe3C發(fā)生球化，也可能轉(zhuǎn)變?yōu)镃r7C3、Mo2C顆粒，由于合金碳化物析出而使Mo、Cr等固溶強(qiáng)化元素貧化，導(dǎo)致鋼材蠕變抗力下降。

6.3 氧化

氧化常常是高溫失效的重要原因。碳鋼在550℃開始會發(fā)生氧化起鱗，添加鉻可提高抗氧化能力，18-8不銹鋼可用于950℃，鉻含量至少25%的不銹鋼可用于1050℃，才具有足夠的抗氧化能力。如焦化加熱爐管采用Cr5Mo鋼管，其長期使用溫度為600℃，如超過該溫度，會形成以FeO為主的鱗皮，其結(jié)構(gòu)疏松，易掉皮剝落。有時(shí)高鉻鎳合金鋼在高溫氧化性氣體侵蝕下也會發(fā)生剝落與開裂。如乙烯煤柴油裂解爐爐管采用HK40合金，爐管內(nèi)壁曾發(fā)生過嚴(yán)重氧化腐蝕，沿晶界內(nèi)氧化使晶粒彼此分離而導(dǎo)致開裂。

6.4 硫化

硫化屬化學(xué)腐蝕，系金屬在高溫下與H2S、S、RSH等作用，產(chǎn)生鱗皮，易剝離。所生成的硫化物可與氯化物、硫酸鹽和金屬等進(jìn)一步生成低熔點(diǎn)共晶。如系統(tǒng)中含有氫，氫與硫化鱗皮化合，并對其還原，生成多空結(jié)構(gòu)，而H2S與膜下方暴露出來的金屬表面繼續(xù)反應(yīng)，加速了硫化。在煉油化工企業(yè)尤以焦化、催化、常減壓等裝置的加熱爐，蒸餾塔底、分餾塔底及轉(zhuǎn)油線、重油線、泵、換熱器等設(shè)備常遇到硫化腐蝕。碳鋼和低合金鋼300℃以上將發(fā)生硫化腐蝕，一般保守的設(shè)計(jì)碳鋼僅用于240℃，＞240℃應(yīng)選用Cr5Mo，＞280℃應(yīng)選用Cr9Mo，更高的溫度應(yīng)選用鉻含量為18%-20%、鎳含量為8%-20%的不銹鋼。

6.5 釩化

原油中含有幾十個(gè)ppm的釩，在以其渣油作燃料時(shí)，會生成V2O5，其熔點(diǎn)為670℃，能破壞爐管表面氧化膜，還能與三氧化鉻形成熔點(diǎn)為850℃的復(fù)氧化合物，使鉻鎳耐熱鋼遭到破壞。

6.6 熱沖擊、熱疲勞

如加熱爐爐管使用耐熱合金，由于操作溫度高達(dá)700~1000℃，有時(shí)會因熱沖擊、熱疲勞及熱應(yīng)力而發(fā)生龜裂。其原因有：由于調(diào)速變換時(shí)急冷產(chǎn)生了熱沖擊，加熱過快產(chǎn)生的熱應(yīng)力，700~800℃時(shí)發(fā)生晶界腐蝕，高溫操作時(shí)發(fā)生急冷急熱反復(fù)交替等。

6.7 瞬時(shí)或短時(shí)過熱引起的爆裂或失穩(wěn)

如20號碳鋼鍋爐有時(shí)因不正常運(yùn)行，管子被堵或水循環(huán)不良等，使?fàn)t管溫度瞬時(shí)超過AC3(855℃)或短時(shí)超過AC1(735℃)，鋼的強(qiáng)度急劇降低，在內(nèi)部介質(zhì)壓力作用下，發(fā)生爆裂。又如芳烴抽提塔停車檢修，雖經(jīng)蒸塔，但不徹底，當(dāng)打開人孔不久，發(fā)現(xiàn)填料段殘存的硫化鐵自燃1小時(shí)，使中段局部溫度高達(dá)900℃，16Mn鋼強(qiáng)度急劇降低，塔體失穩(wěn)倒塌。

7 由焊接加工引起的脆裂

金屬的焊接接頭很容易產(chǎn)生裂紋。尤其是不銹鋼，如焊材選擇不當(dāng)或操作不慎會發(fā)生微裂紋和熱裂紋。細(xì)小的發(fā)裂或微裂紋，雖極少造成焊縫失效，但在電介質(zhì)環(huán)境下會引發(fā)縫隙腐蝕。熱裂紋或焊接凝固裂紋是嚴(yán)重的焊接缺陷，應(yīng)當(dāng)避免。這是在凝固過程結(jié)晶后期產(chǎn)生。與奧氏體鋼導(dǎo)熱系數(shù)小，線膨脹系數(shù)大有關(guān)。焊縫在結(jié)晶過程中產(chǎn)生較大的收縮變化與較大的拉應(yīng)力，從而產(chǎn)生沿晶開裂。對奧氏體鋼焊縫控制鐵素體含量通常為5%～10%，對防止與改善熱裂紋與微裂紋有利。但對310以及高鉻鎳高性能不銹鋼難以控制焊縫鐵素體含量，可嚴(yán)格控制與去除會引起熱裂紋的雜質(zhì)如硫、磷、氧、銅、鋅等在焊區(qū)之外。

不銹鋼焊接接頭焊態(tài)幾乎無脆化，但焊后經(jīng)600～850℃加熱會析出σ相、Cr23C6、NbC，而引起脆化。奧氏體鋼中含一定的鐵素體雖對防止熱裂紋有利，但經(jīng)熱處理會析出σ相、Cr23C6、NbC則不利。

鐵素體不銹鋼焊縫有冷裂紋傾向。與低合金鋼比，氫在鐵素體不銹鋼焊縫中擴(kuò)散速度是低合金鋼的1/10～1/25，裂紋開裂的潛伏期長，可在焊后幾天內(nèi)仍存在氫的擴(kuò)散，應(yīng)采用低氫型焊條。

異種鋼之間焊接或用異種鋼焊條焊接易發(fā)生電偶腐蝕，甚至發(fā)生開裂。如加氫裝置中CrMo鋼與奧氏體不銹鋼焊接或CrMo鋼之間焊接采用奧氏體不銹鋼焊條會發(fā)生氫脆，應(yīng)采用珠光體焊條。在催化裝置HCN-H2S-H2O系統(tǒng)部位用奧氏體不銹鋼焊條焊接碳鋼或CrMo鋼極易發(fā)生硫化物應(yīng)力腐蝕開裂。電站鍋爐中奧氏體、鐵素體異種鋼接頭在高溫高壓使用中曾發(fā)生開裂與泄漏，其原因?yàn)殇摬闹g蠕變強(qiáng)度不匹配，碳遷移在焊縫界面一側(cè)產(chǎn)生增碳帶，其結(jié)果更加劇了蠕變強(qiáng)度不匹配的程度，鋼材之間熱膨脹系數(shù)不匹配也會加速失效。

8 由疲勞共振引起的脆裂

8.1 腐蝕疲勞

在腐蝕性環(huán)境中受振動(dòng)或其它脈動(dòng)應(yīng)力作用的設(shè)備與部件會發(fā)生腐蝕疲勞。尤其材料表面存在蝕坑或尖口缺陷，在交變應(yīng)力作用下，腐蝕疲勞裂紋擴(kuò)展更快。如PVC裝置與AN裝置較多，304不銹鋼塔的塔板發(fā)生過腐蝕疲勞開裂。又如PTA裝置的回轉(zhuǎn)式干燥機(jī)的螺旋輸送機(jī)主軸，材質(zhì)為316鋼，由于含溴醋酸的濕TA物料產(chǎn)生孔蝕形成尖口，以及主軸上螺旋葉片對物料的反作用力而產(chǎn)生脈動(dòng)應(yīng)力作用，從而造成腐蝕疲勞開裂。再如某化肥廠氫氮?dú)庋h(huán)壓縮機(jī)的活塞桿，由于鍍鉻后未經(jīng)去氫處理以及與環(huán)境中氫相結(jié)合造成氫致裂紋，這為交變的工作載荷產(chǎn)生腐蝕疲勞開裂準(zhǔn)備了條件。

8.2 熱疲勞

設(shè)備軸向或徑向受到較大的溫差熱應(yīng)力作用，會造成熱疲勞裂紋。如HK制氫轉(zhuǎn)化爐管，由于觸媒下沉使?fàn)t管上部成為空管，外壁溫度達(dá)920℃，在頻繁開停車情況下，上下爐管有最大的溫差，必然在空管處造成熱疲勞開裂。

8.3 低頻疲勞

設(shè)備在應(yīng)力交變頻率較低的情況下發(fā)生破裂，稱低頻疲勞。如焦化裝置的焦化塔由于周期性的冷熱循環(huán)操作，因而導(dǎo)致塔壁鼓凸變形，嚴(yán)重時(shí)促使塔體與裙座焊縫破裂，即低頻疲勞破壞。

8.4 磨損疲勞

化工機(jī)器的磨損有磨料磨損、粘著磨損與微動(dòng)磨損。其中微動(dòng)磨損特別在機(jī)器的過盈配合處(如軸頸和轉(zhuǎn)子的裝配處)易于發(fā)生。由于在動(dòng)載荷作用下發(fā)生相對運(yùn)動(dòng)，使部件表面產(chǎn)生微動(dòng)磨損點(diǎn)坑，甚至出現(xiàn)咬蝕疲勞裂紋。

8.5 共振斷裂

如果外加應(yīng)力的頻率與設(shè)備構(gòu)件本身自然振動(dòng)頻率同步時(shí)，就可能把受力增大到危險(xiǎn)的程度，最終導(dǎo)致共振斷裂。如鋼制換熱器由于流體流動(dòng)誘導(dǎo)振動(dòng)，導(dǎo)致管束中管子振動(dòng)，發(fā)生管子間碰撞破裂或析流板處管子切開。流動(dòng)誘導(dǎo)振動(dòng)引起管子破裂，也易發(fā)生在U型彎頭、管子與管板連接處。對有關(guān)的管子與泵、壓縮機(jī)及連接的容器發(fā)生共振也會引起疲勞斷裂。又如鈦制換熱器，采用薄壁鈦管，鋼度較低，如按常規(guī)設(shè)計(jì)支撐間距過大，則容易使鈦管在與支撐板管孔部位發(fā)生共振磨損斷裂。

9 由異物堵塞引起的脆裂

設(shè)備管路由于工藝操作原因有時(shí)發(fā)生異物堵塞造成腐蝕減薄，甚至開裂。 如加氫裝置的空冷器有硫氫化銨和氯化銨堵塞造成的腐蝕損傷。酸性水汽裝置冷卻器由碳酸氫銨堵塞造成的腐蝕失效。鍋爐化學(xué)清洗控制不當(dāng)，有時(shí)垢物雖有溶解，但有部分剝落，造成鍋底聯(lián)箱或過熱器管彎頭堵塞，而使金屬超溫蠕脹損壞。又如核電廠鈦制海水冷卻器，由于進(jìn)水管上脫落的橡膠條和貝殼等異物堵塞了管子的入口段，改變了傳熱管內(nèi)海水流動(dòng)的流暢，在妨害流動(dòng)的異物前后產(chǎn)生較大的壓差，形成顯著紊流與較高的減應(yīng)力，產(chǎn)生沖刷磨損，導(dǎo)致鈦管減薄破裂。

10 石化設(shè)備脆裂綜合評述

以上分述了石化設(shè)備在各種環(huán)境與不同條件下發(fā)生脆裂的起因與解決方法。特別應(yīng)強(qiáng)調(diào)石化設(shè)備發(fā)生的脆裂往往不會是單一的，多是由多種原因或多種形式造成開裂破壞。如應(yīng)力腐蝕開裂、腐蝕疲勞、氫脆、氧化、硫化、滲碳、蠕變、熱疲勞、 晶間腐蝕、焊接敏化、硫脆、氯脆、共振、磨損、疲勞、露點(diǎn)腐蝕、應(yīng)力腐蝕開裂、電偶腐蝕、應(yīng)力腐蝕開裂、氫脆等，這樣由二者、三者或多者的交互和協(xié)同作用，引起的開裂破壞將比單一作用更為嚴(yán)重。下面對設(shè)備脆裂做總體分析。

10.1 從斷裂力學(xué)角度考慮

石化設(shè)備發(fā)生的脆裂應(yīng)該考慮斷裂力學(xué)的判據(jù)，由于各種脆性斷裂多與表面切口和內(nèi)部缺陷有關(guān)，顯然切口和缺陷的大小與形狀必然是影響脆裂的主要因素之一。如根據(jù)線性彈性斷裂力學(xué)，裂紋尖端的應(yīng)力強(qiáng)度因子K1的表達(dá)式為：

式中 F——裂紋形狀修正系數(shù)

σ——裂紋前緣的名義應(yīng)力

a——裂紋尺寸

帶有裂紋的構(gòu)件產(chǎn)生脆性斷裂的條件是裂紋尖端的應(yīng)力強(qiáng)度因子K1大于或等于構(gòu)件材料的斷裂韌性KIC。即K1≥KIC也即Fσ(πa)1/2≥KIC

這樣，只要掌握了材料的斷裂韌性值(可通過試樣測得，也可通過手冊查得)，就可根據(jù)工作負(fù)荷估算出構(gòu)件所能承受的臨界裂紋尺寸ac，當(dāng)然也可根據(jù)無損探傷測得的微裂紋尺寸a，估算出不致造成脆性斷裂所能承受的最大負(fù)荷。在腐蝕環(huán)境中有裂紋的材料還有一個(gè)重要參數(shù)為應(yīng)力腐蝕破裂臨界強(qiáng)度因子KISCC，其值低于屈服強(qiáng)度和斷裂韌性KIC，材料強(qiáng)度在KISCC值以下時(shí)不會發(fā)生破裂。如上式用KISCC代替KIC，則也可得出材料容許的裂紋最大尺寸a。設(shè)計(jì)者可根據(jù)特定環(huán)境中找出材料的KISCC(可通過試樣測得，也可通過手冊查得)，對比無損探傷測得的微裂紋尺寸a，可判斷評選安全適用的材料。此外，材料的應(yīng)力腐蝕破裂必定存在一個(gè)臨界應(yīng)力。如屬于應(yīng)力支配型，臨界應(yīng)力一般近似等于屈服強(qiáng)度，其斷裂機(jī)制與表面膜破裂有關(guān)；如屬于腐蝕支配型，則臨界應(yīng)力一般應(yīng)大大小于屈服強(qiáng)度，裂紋應(yīng)出現(xiàn)在孔蝕和其它蝕溝部，它作為應(yīng)力集中源，如又處于低pH值與高氯離子濃度環(huán)境，或敏化態(tài)18-8不銹鋼在連多硫酸中，即使室溫低應(yīng)力條件下也會發(fā)生破裂。

如根據(jù)上式Fσ(πa)1/2≥KIC還應(yīng)考慮有效應(yīng)力σ，它也是設(shè)備的脆裂的重要因素。有效應(yīng)力σ是設(shè)計(jì)應(yīng)力(外加負(fù)荷應(yīng)力)、設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的熱應(yīng)力、制作過程的殘余應(yīng)力、腐蝕產(chǎn)物引起的應(yīng)力之和。

在有缺口的應(yīng)力集中處的有效應(yīng)力σ最大計(jì)算如下：

式中 k——常數(shù)，取4.5(包括冷熱加工產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力)

特別應(yīng)考慮壓力容器某些部位局部應(yīng)力過高，甚至超過材料屈服強(qiáng)度的兩倍，如在加載與卸載過程中，反復(fù)循環(huán)應(yīng)變會導(dǎo)致疲勞破裂。某些部位局部應(yīng)力高，它包括由于結(jié)構(gòu)存在裂紋、缺口等而產(chǎn)生的應(yīng)力集中和局部熱應(yīng)力。尤其是焊接內(nèi)應(yīng)力與冷加工產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力即使不產(chǎn)生裂紋，也會加劇壓力容器的疲勞裂紋和應(yīng)力腐蝕破裂。

10.2 從防護(hù)角度考慮

由于材料脆變和斷裂與所承受的外應(yīng)力(尤其是殘余應(yīng)力)，以及與材料表面缺口和內(nèi)部缺陷有關(guān)，所以為防止脆變和斷裂，理應(yīng)從材料的質(zhì)量、設(shè)備的設(shè)計(jì)、加工的措施、操作的規(guī)范、管理的方法等進(jìn)行考慮。

(1) 提高材料質(zhì)量與選用合適材料

材料質(zhì)量差主要有：成分不合、夾雜物偏聚、顯微組織不合、各向異性、多種性能不合、埋藏缺陷、表面有切口、刀痕與折迭等。這些均有可能促進(jìn)回火脆性、低溫脆性、氫脆、疲勞開裂、腐蝕開裂、蠕變開裂。為此應(yīng)選用優(yōu)質(zhì)材料，杜絕錯(cuò)用材料，如對碳鋼宜采用全鎮(zhèn)靜鋼或細(xì)晶粒鋼，碳鋼量合適，盡可能降低硫磷等有害雜質(zhì)，硬度適中，避免錯(cuò)用韌脆轉(zhuǎn)變溫度高的材料。如對不銹鋼為防晶間腐蝕開裂宜采用超低碳的或穩(wěn)定化的奧氏體不銹鋼、為防氯脆宜選用雙相不銹鋼。對臨氫設(shè)備應(yīng)按納爾遜曲線規(guī)定選用材料。對高溫服役材料必須考慮其耐熱或抗氧化、蠕變的承受能力。為保證材料質(zhì)量務(wù)必加強(qiáng)檢測與監(jiān)驗(yàn)。

(2) 改進(jìn)與完善設(shè)計(jì)

設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不當(dāng)常會引發(fā)各種脆裂。如設(shè)計(jì)部件有缺口、細(xì)頸、凹倒角半徑過小、截面突變、開孔位置不當(dāng)?shù)染鶗饝?yīng)力集中，裂紋往往從這里開始。如對換熱器盡可能避免采用脹接、避免采用U型管束。如管道設(shè)計(jì)撓性不足，易因機(jī)器振動(dòng)、氣流脈動(dòng)而引起振動(dòng)，致使焊縫出現(xiàn)裂紋而導(dǎo)致破裂。管道直線鋪設(shè)未考慮熱膨脹問題，也易使管道產(chǎn)生翹裂。設(shè)備設(shè)計(jì)應(yīng)避免上述欠缺，消除應(yīng)力集中，消除振動(dòng)與減少應(yīng)力變動(dòng)幅度等，才能避免與減少脆裂失效。

(3) 提高操作與管理水平

操作與管理不當(dāng)主要有：違章操作、超載、超溫、超壓、超速、沖撞、熱沖擊，尤其開停車操作不當(dāng)、振動(dòng)過大、除氧不良、水質(zhì)不良積垢、未及時(shí)清洗除垢、清洗劑不合(含有Cl-、F-等有害雜質(zhì))、潤滑劑不合、變質(zhì)或污染、流體中含有磨粒、沒定期檢查與維護(hù)、儀表失靈、安全閥失效等。這些操作與管理不當(dāng)容易造成設(shè)備與管道脆裂失效。因此必須提高操作與管理水平。

(4) 提高制作加工安裝水平

冷熱制作與加工維修造成缺陷和安裝檢驗(yàn)不當(dāng)均會引起設(shè)備脆變斷裂而失效。特別是焊接，其主要缺陷有：未焊透、焊趾裂紋、焊道深溝、焊肉凹凸、咬邊、錯(cuò)口等，特別是焊接裂紋是對壓力容器最危險(xiǎn)的缺陷，由于它的根部較尖銳，易造成應(yīng)力集中導(dǎo)致開裂。焊接時(shí)應(yīng)嚴(yán)格遵守焊接規(guī)范，選用合適的焊接工藝與順序，選用正確焊材，采用低焊接線能量施焊，這樣不僅可減少殘余應(yīng)力，而且可以減少敏化溫度范圍。改進(jìn)焊接工藝，如管內(nèi)水冷焊接法、焊縫外壁高頻感應(yīng)加熱內(nèi)壁水冷法，可使內(nèi)表面殘余拉應(yīng)力變?yōu)閴簯?yīng)力。新設(shè)備設(shè)計(jì)時(shí)盡量避免焊縫的密集和交叉，避免應(yīng)力集中。設(shè)備焊后進(jìn)行適當(dāng)又正確的熱處理消除殘余應(yīng)力，以防止各種應(yīng)力腐蝕破裂、氫脆等脆裂是必要的。但熱處理如操作不當(dāng)，造成淬火后回火不及時(shí)開裂、變形、翹曲，延遲裂紋，回火脆化，奧氏體化溫度過高使晶粒粗大，脫碳或增碳等等缺陷，則又會使設(shè)備產(chǎn)生不必要的損傷，這是應(yīng)當(dāng)避免的。焊后還必須用無損檢測確定焊接缺陷位置以便鏟除或重焊。

冷加工、冷作成型及再加工不當(dāng)易造成缺陷，主要有：倒角尖銳、劃痕、刀痕、磨削裂紋、矯直不當(dāng)、酸洗不當(dāng)吸氫、電鍍后未除氫等，會使設(shè)備或部件殘存腐蝕開裂或氫脆隱患，因此必須嚴(yán)格按規(guī)程操作，并仔細(xì)檢驗(yàn)。

鍛造不當(dāng)易造成缺陷，主要有：鋼中含硫量過高時(shí)，晶界富集低熔點(diǎn)的網(wǎng)狀硫化鐵，會產(chǎn)生開裂，稱作紅脆。鍛鋼?？梢姷綆罱M織，它起因于磷硫元素樹枝狀偏析，使鋼材變成各向異性。鍛造易造成過燒沿晶氧化，過熱而燒裂、分層、疏松、縮孔、龜裂等。為防止鍛造缺陷造成設(shè)備及部件脆變開裂的隱患，必須嚴(yán)格按規(guī)程操作，并仔細(xì)檢驗(yàn)。

鑄造不當(dāng)易造成缺陷，有疏松、縮孔、夾渣、偏析等易造成加熱爐爐管蠕變破裂。因而要保證鑄造質(zhì)量，加強(qiáng)檢驗(yàn)。

酸洗和電鍍控制不當(dāng)或時(shí)間較長，易造成氫脆。

設(shè)備安裝或機(jī)器裝配不當(dāng)，如強(qiáng)迫安裝敲打，軸線對中不正，裝配損傷，緊固件松動(dòng)等會造成設(shè)備與機(jī)器失效隱患，務(wù)必避免。

10.3 從檢驗(yàn)角度考慮

為了確保設(shè)備安全運(yùn)行，對設(shè)備制造過程與竣工后必須進(jìn)行嚴(yán)格的檢驗(yàn)，設(shè)備服役后檢修前也需進(jìn)行嚴(yán)格的檢驗(yàn)。這里僅對各種裂紋的檢測予以分析。

(1) 各類設(shè)備的檢測方法分析

塔糟容器主體開裂，可用肉眼檢查、磁粉探傷、熒光浸透探傷、超聲探傷及射線探傷和表面金相分析(覆膜)等方法，重點(diǎn)在焊縫處和連接部位。對金屬襯里凸起與開裂，可用肉眼或錘擊檢查，用浸透探傷檢查有無開裂。對非金屬襯里破裂，可用電火花試驗(yàn)檢查。不要忽視外部保溫材料變質(zhì)帶來的氯脆，應(yīng)用著色探傷檢測。對重要塔器或反應(yīng)器的缺陷與裂紋也可用聲發(fā)射來檢驗(yàn)。壓力容器一般應(yīng)采用水壓試驗(yàn)或氣密性試驗(yàn)。

加氫反應(yīng)器主要檢查筒體熱壁的氫損傷、氫致裂紋、回火脆性及堆焊層剝離、氫脆裂紋，裙座與封頭連接部位應(yīng)力集中裂紋。采用肉眼檢查、磁粉探傷、浸透探傷、超聲探傷、攜帶式硬度計(jì)測硬度、金相分析組織以及反應(yīng)器內(nèi)掛片定期取樣檢驗(yàn)等方法。

換熱器主要檢查管板管子的連接部位，尤其是焊接處的非貫穿性裂紋用著色法檢查。對非磁性的不銹鋼、 銅合金、鈦合金的換熱器可用渦流探傷檢查管端入口部位、折流板和換熱管接觸部位的開裂泄漏情況。管束內(nèi)部可利用內(nèi)窺鏡檢查，根據(jù)漏水情況可檢查出管子穿孔、破裂及管子和管板接頭泄漏位置。

加熱爐主要檢查爐管，采用著色探傷、超聲探傷、射線探傷等方法，檢查裂紋與損傷、卡尺測外徑、攜帶式硬度計(jì)測硬度。滲碳用超聲探傷以及測磁儀檢查、必要時(shí)割管作斷面金相分析。蠕變開裂先根據(jù)爐管膨脹彎曲等外觀檢查、超聲探傷，再確定從抽樣管上切取作斷面金相、電鏡、能譜等分析。

配管主要在停車檢修時(shí)進(jìn)行全面檢驗(yàn)，除宏觀檢查管道管件的表面損傷外，應(yīng)采用著色探傷或磁粉探傷檢查有無裂紋、折迭與腐蝕等缺陷。對高壓工藝管道，用內(nèi)窺鏡檢查，如無法進(jìn)行內(nèi)壁檢查，可采用超聲或射線探傷抽查。對工作溫度大于180℃的碳鋼和工作溫度大于250℃的合金鋼的臨氫管道應(yīng)采用超聲波能量法或測厚法檢查判斷氫侵蝕或氫脆程度。對出現(xiàn)超溫超壓的管道，蠕變率接近1%的，有可能導(dǎo)致氫侵蝕或氫脆的，應(yīng)進(jìn)行破壞性取樣檢驗(yàn)，檢驗(yàn)其化學(xué)成分、沖擊韌性及金相組織。

動(dòng)設(shè)備主要檢查壓縮機(jī)的活塞桿、氣缸，風(fēng)機(jī)葉輪、泵軸、離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓等，采用著色、超聲、磁粉、射線等探傷方法檢查缺陷與裂紋。對高速運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)械采用頻譜分析儀等監(jiān)測振動(dòng)與故障診斷。

(2) 設(shè)備易開裂部位或應(yīng)重點(diǎn)檢測部位分析

塔糟與容器易開裂或重點(diǎn)檢測部位為：因腐蝕嚴(yán)重器壁減薄或穿孔處、封頭、筒體與錐底焊縫質(zhì)量低劣處、水線或汽液交界部位、物料沉積與結(jié)垢處、裙座與封頭連接部位、外部保溫材料破損處、連接壓縮機(jī)、泵振動(dòng)大的接管口根部等。

加氫反應(yīng)器易開裂或重點(diǎn)檢測部位為：鉻鉬鋼基材及焊縫與熱影響區(qū)、奧氏體不銹鋼堆焊層與內(nèi)構(gòu)件連接焊縫、墊片密封糟、裙座與封頭連接部位等。

換熱器易開裂或重點(diǎn)檢測部位為：管束與管板連接處、殼程靠近上管板的管束干濕交替部位、焊接質(zhì)量低劣處、折流板處管束、管束外圍的管子與換熱器殼體內(nèi)壁處、法蘭連接處等。

加熱爐易開裂或重點(diǎn)檢測部位為：爐管向火面、爐管局部過熱處、焊接質(zhì)量低劣處、燒嘴、進(jìn)出口尾管及集合管、爐管嚴(yán)重滲碳與蠕變部位等。

配管易開裂或重點(diǎn)檢測部位為：管子材質(zhì)低劣、焊接缺陷處、彎頭、三通、大小頭、分支管、沖蝕嚴(yán)重處、壓力或流速突變部位等。

動(dòng)設(shè)備開裂或重點(diǎn)檢測部位為：壓縮機(jī)氣缸間連接螺栓、活塞與氣缸撞擊處、連桿小頭及螺栓、缸身及缸套、主軸頸、葉片或葉輪根部、端部及焊縫缺陷處、轉(zhuǎn)鼓焊縫缺陷處等。

(3) 裂紋形態(tài)及其觀察分析

從發(fā)生裂紋的類型來看，有應(yīng)力腐蝕裂紋、氫脆裂紋、疲勞裂紋、蠕變裂紋等等，但從檢測角度來看，有宏觀裂紋、微觀裂紋；有延性裂紋、脆性裂紋；有晶間裂紋、穿晶裂紋，混合型裂紋；有表面裂紋、內(nèi)部裂紋；有即時(shí)裂紋、遲后裂紋等。如在實(shí)際工程事故分析中，可根據(jù)裂紋分支來粗略判斷不銹鋼設(shè)備應(yīng)力腐蝕破裂部位的受力情況，應(yīng)力較低時(shí)，裂紋一般是平直、單一的；應(yīng)力中等時(shí)，裂紋有宏觀分支；應(yīng)力較高時(shí)，裂紋多呈網(wǎng)狀和環(huán)狀。在分析設(shè)備或部件失效時(shí)可從裂紋或斷口特征來確定何者起主要作用。如不銹鋼應(yīng)力腐蝕破裂的宏觀裂紋，有的較平直，有的有分支，有的呈現(xiàn)花紋，甚至龜裂。其微觀裂紋往往既有主干又有分支，貌似樹枝狀，裂紋尖端較銳利，穿晶的為準(zhǔn)解理斷裂，晶間的為冰糖塊狀。而腐蝕疲勞裂紋，其宏觀裂紋除直線狀外，多見鋸齒狀與臺階狀，且裂紋尖端較鈍。其微觀斷口多有疲勞條紋。又不銹鋼的氫脆裂紋尖端較平直，且出現(xiàn)氫致馬氏體。又如對高溫服役的合金部件(如汽輪機(jī))，蠕變?yōu)橹鲃t是沿晶裂紋，斷口呈冰糖塊狀，并可觀察到沿晶分布的空洞和微裂，而疲勞損傷則主要是晶內(nèi)裂紋，斷口較平滑且可觀察到疲勞條紋。

Assessmene on Embrittle Cracking in Petrochemical Equipment

YU Cun-ye
(Shanghai Petrochemical Share Co., Ltd, Shanghai 200540, China)

Embrittle cracking phenomenon in every harsh environment in petrochemical equipment are described. It consist of phase transformation cracking, stress corrosion cracking, hydrogen embrittlement, high temperature cracking, low temperature cracking, welding cracking etc. Causes of embrittle cracking are analyzed. And put forward protection measure. Keywords：petrochemical equipment stress corrosion cracking hydrogen embrittlement

petrochemical equipment; stress corrosion cracking; hydrogen embrittlement; high temperature cracking; low temperature cracking; welding cracking; protection

TE988

A< class="emphasis_bold">文章編號：1008-7818(2014)03-0026-10

1008-7818(2014)03-0026-10

余存燁 (1941－) ，男，高級工程師，長期從事化工及石化設(shè)備材料應(yīng)用研究，腐蝕和防護(hù)科研及工程服務(wù)工作。