吉章紅

(石油化工工程質(zhì)量監(jiān)督總站，北京 100728)

1 基本情況

某公司40 000 m3/h制氫裝置于2013年7月投用，2015年4月6日因事故導(dǎo)致裝置停運(yùn)，轉(zhuǎn)化爐在運(yùn)行期間一切正常，共開停工6次，累計(jì)運(yùn)行437 d，停用期間未對(duì)管內(nèi)采取保護(hù)措施。

2 失效情況

管內(nèi)介質(zhì)主要為焦化干氣、硫化氫、氫氣和水蒸氣等，爐管入口溫度為520 ℃，材質(zhì)為F304H，平均負(fù)荷約60%。加強(qiáng)接頭所在部位見圖1，尺寸見圖2。

圖1 加強(qiáng)接頭所在部位

圖2 加強(qiáng)接頭尺寸

2018年7月12日，施工單位更換轉(zhuǎn)化爐上尾管，打磨下加強(qiáng)接頭坡口， 滲透檢測(cè)發(fā)現(xiàn)坡口位置存在裂紋，隨即對(duì)126根下加強(qiáng)接頭進(jìn)行全部檢測(cè)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)全部坡口位置均存在裂紋 ，有的將管臺(tái)的支管部位已基本磨掉，但裂紋仍未消除(見圖3)。

圖3 加強(qiáng)接頭裂紋

3 失效試樣分析

3.1 滲透檢測(cè)

取4個(gè)加強(qiáng)接頭樣品，編號(hào)為1—4號(hào)，分別進(jìn)行滲透檢測(cè)，其中：3號(hào)樣品外壁腐蝕相對(duì)嚴(yán)重，4個(gè)樣品的坡口處均有裂紋，裂紋走向基本為徑向，有的與外表面呈一定角度，詳見圖4。

3.2 化學(xué)成分分析

分別對(duì)1號(hào)和3號(hào)樣品的管臺(tái)進(jìn)行化學(xué)成分分析，分析結(jié)果見表1。由表1可知，管臺(tái)母材的化學(xué)成分符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

3.3 硬度試驗(yàn)

對(duì)試樣進(jìn)行硬度測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見表2。由表2可知，測(cè)試部位的硬度屬正常。

圖4 樣品滲透檢測(cè)結(jié)果

表1 化學(xué)成分分析結(jié)果 w,%

表2 硬度測(cè)試結(jié)果

3.4 金相分析

3.4.1 裂紋金相分析

選取3號(hào)樣品環(huán)向截取金相試樣進(jìn)行分析。由掃描電鏡觀察到試樣表面呈白色顆粒狀部位為裂紋或晶粒脫落部位(見圖5)。由圖5(a)可觀察到低倍裂紋及晶粒脫落形貌，由圖5(b)和圖6分別為金相組織分析觀察的微觀形貌，外壁邊緣有較大區(qū)域出現(xiàn)沿晶裂紋并伴有晶粒脫落現(xiàn)象。有的可見是向深度方向發(fā)展。金相觀察結(jié)果表明，裂紋具有晶間腐蝕和晶間型應(yīng)力腐蝕的混合特征。

圖5 開裂部位掃描電鏡微觀形貌

圖6 開裂部位光學(xué)微觀形貌

3.4.2 金相組織

對(duì)3號(hào)樣品金相組織進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)晶內(nèi)或晶界上均有碳化物析出現(xiàn)象(見圖7)，靠近內(nèi)壁邊緣處還有滑移線。金相組織為奧氏體，晶粒大小不均。

圖7 3號(hào)樣品碳化物析出金相照片

3.5 斷口分析

3.5.1 斷口宏觀分析

選取1號(hào)和2號(hào)管臺(tái)上的裂紋將其打開進(jìn)行斷口分析，斷口的宏觀形貌見圖8。斷口表面呈咖啡色，表明有腐蝕產(chǎn)物覆蓋其上。

3.5.2 斷口微觀分析

對(duì)斷口進(jìn)行清洗，用掃描電鏡對(duì)斷口進(jìn)行微觀分析。斷口均為典型的沿晶斷口，局部有二次裂紋存在，具有晶間型應(yīng)力腐蝕開裂特征，見圖9。

圖8 斷口宏觀形貌

圖9 斷口微觀形貌

3.6 能譜分析

3.6.1 斷口表面

對(duì)兩個(gè)試樣斷口表面腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行能譜分析,結(jié)果見表3和表4。由表3和表4可知：兩個(gè)試樣斷口上腐蝕性元素基本相同，主要有O,S和Cl元素。

3.6.2 裂紋縫隙內(nèi)腐蝕產(chǎn)物

對(duì)金相試樣裂紋縫隙內(nèi)的腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行能譜分析，分析結(jié)果見表5。分析結(jié)果與斷口表面的腐蝕產(chǎn)物基本相同，即：金相試樣裂紋縫隙內(nèi)的主要腐蝕性元素為O,S和Cl。

表3 斷口1主要元素能譜分析結(jié)果 w,%

表4 斷口2主要元素能譜分析結(jié)果 w,%

表5 裂紋縫隙主要元素能譜分析結(jié)果 w,%

4 失效機(jī)理

綜合上述各項(xiàng)理化試驗(yàn)結(jié)果推斷，加強(qiáng)接頭的開裂為晶間型應(yīng)力腐蝕開裂。加強(qiáng)接頭的材質(zhì)為304H奧氏體不銹鋼，其發(fā)生晶間型應(yīng)力腐蝕開裂主要有氯離子應(yīng)力腐蝕開裂和連多硫酸應(yīng)力腐蝕開裂兩種。氯離子晶間型應(yīng)力腐蝕開裂在材料存在較嚴(yán)重的晶間敏化時(shí)[1]，也會(huì)發(fā)生。

斷口表面和裂紋縫隙的腐蝕產(chǎn)物能譜分析顯示，存在較高濃度的O,Cl和S元素，其中O和 S元素是連多硫酸應(yīng)力腐蝕開裂的腐蝕產(chǎn)物的主要組成元素，檢測(cè)到Cl元素表明介質(zhì)環(huán)境中有氯元素存在?？紤]到腐蝕開裂發(fā)生在停工期間，溫度低于50 ℃，同時(shí)有的裂紋距離焊縫比較遠(yuǎn)，開裂處焊接殘余應(yīng)力比較低，加強(qiáng)接頭的硬度也比較低，表明加強(qiáng)接頭殘余應(yīng)力也比較低，氯離子應(yīng)力腐蝕所需要的溫度比較高[2]，應(yīng)力門檻值也比較高，連多硫酸應(yīng)力腐蝕開裂所需要的應(yīng)力門檻值比較低[3]，綜合金相、斷口和腐蝕產(chǎn)物開裂分析結(jié)果，判斷加強(qiáng)接頭的開裂主導(dǎo)機(jī)理應(yīng)為連多硫酸應(yīng)力腐蝕開裂，氯離子對(duì)開裂起到了促進(jìn)作用。

由于開裂是由外壁開始的，所以加強(qiáng)接頭外部環(huán)境是主要影響因素。制氫轉(zhuǎn)化爐的制氫裝置與硫磺回收裝置相鄰，而硫磺回收裝置運(yùn)行過程中大氣中的硫含量相對(duì)較高，長(zhǎng)期在520 ℃下服役，外表面形成了高溫硫腐蝕產(chǎn)物FeS，裝置在事故緊急停工后，加強(qiáng)接頭外表面接觸潮濕海洋鹽霧大氣，氯離子在其外表面濃縮，使得加強(qiáng)接頭外壁具有了連多硫酸+氯離子的應(yīng)力腐蝕開裂環(huán)境。

5 結(jié)論及建議

加強(qiáng)接頭材質(zhì)選用了304H(尾管材質(zhì)為347H)，長(zhǎng)期在520 ℃下服役，出現(xiàn)了嚴(yán)重敏化。工作介質(zhì)為焦化干氣、硫化氫、氫氣和水蒸氣的混合物，由于工作介質(zhì)中硫化氫含量很低，因此裝置設(shè)計(jì)時(shí)并未考慮連多硫酸的腐蝕，未考慮外部環(huán)境的影響。加強(qiáng)接頭發(fā)生敏化，使得加強(qiáng)接頭外壁具有了連多硫酸+氯離子的應(yīng)力腐蝕開裂的條件。

上尾管下加強(qiáng)接頭的材質(zhì)應(yīng)選用347H，以減輕加強(qiáng)接頭的敏化，延長(zhǎng)加強(qiáng)接頭的使用壽命。