鮑明昱，高 健，張曉琳，熊建嘉

(1.中國石油西南油氣田公司安全環(huán)保與技術(shù)監(jiān)督研究院 四川 成都 610041；2.中國石油川慶鉆探工程有限公司科技處 四川 成都 610051；3.中國石油天然氣股份有限公司儲氣庫分公司 北京 100029)

0 引 言

根據(jù)中國的節(jié)能政策以及工業(yè)的高效節(jié)能要求，重沸器及其相關(guān)技術(shù)非常重要，其傳熱性能直接影響能源利用率[1]。在工業(yè)生產(chǎn)中，重沸器作為換熱器的一種，在化工、石油、能源等領(lǐng)域被廣泛采用[2-4]。某天然氣站場脫水裝置中的重沸器主要是對富三甘醇溶液進(jìn)行升溫提純，其結(jié)構(gòu)由煙囪、爐頭、煙火管和儀器儀表等部分組成[5-6]。該重沸器的運行過程為：爐頭通過燃燒閃蒸氣加熱淹沒在富三甘醇中的火管，同時高溫火管又將富三甘醇升溫至工況條件，隨后蒸發(fā)掉富三甘醇里的水從而起到脫水作用[7]。

在油氣生產(chǎn)過程中，管道開裂失效是普遍存在的問題[8-9]，管線自身的化學(xué)性質(zhì)和金相結(jié)構(gòu)決定了這種鐵基合金是一類易受腐蝕的合金[10]。該站場300萬脫水裝置重沸器煙火管發(fā)生開裂失效事故，煙火管設(shè)計規(guī)格為Φ800 mm×12 mm鋼管，鋼級為Q345R。本文對該開裂失效煙火管樣品進(jìn)行力學(xué)性能分析、金相組織分析和能譜分析，結(jié)合失效理論，對其開裂失效原因進(jìn)行分析。

1 試驗分析

1.1 宏觀形貌分析

煙火管出現(xiàn)裂紋失效的區(qū)域主要是在副煙火管的下方區(qū)域，如圖1所示；開裂失效樣品宏觀形貌如圖2所示。失效管存在多條周向裂紋，裂紋所在區(qū)域出現(xiàn)了較為嚴(yán)重的塑性變形：鋼管向內(nèi)凹陷，主裂紋處凹陷最嚴(yán)重。

圖1 主裂紋區(qū)域位置示意圖

圖2 失效管樣品宏觀外貌

在該鋼管外表面(約2 850 mm2區(qū)域)共發(fā)現(xiàn)了13條裂紋，所有裂紋呈周向分布。其中1號裂紋(主裂紋)長度為55.4 mm、最大寬度為3.7 mm。該裂紋已貫穿整個管壁，在內(nèi)表面呈現(xiàn)一條34.4 mm的裂紋。主裂紋切開后的宏觀形貌如圖3所示，主裂紋處管樣內(nèi)表面內(nèi)凹，最小壁厚僅為10.08 mm(公稱壁厚為12 mm)。

圖3 主裂紋剖開后宏觀外貌

1.2 拉伸性能試驗

1.2.1 軸向拉伸試驗

在失效管樣品的管體上沿軸向取拉伸試樣，根據(jù)GB/T 2975—2018《鋼及鋼產(chǎn)品 力學(xué)性能試驗取樣位置及試樣制備》標(biāo)準(zhǔn)和失效管樣品尺寸，所取軸向拉伸試樣尺寸為160 mm × 15 mm × 6 mm，按GB/T 228.1—2010《金屬材料 拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行拉伸試驗，根據(jù)GB 713—2014《鍋爐和壓力容器用鋼板》標(biāo)準(zhǔn)對試驗結(jié)果進(jìn)行評價，試驗結(jié)果見表1，試驗曲線如圖4所示。表1的試驗結(jié)果表明，材料的拉伸性能符合GB 713—2014標(biāo)準(zhǔn)的要求。

表1 拉伸性能試驗結(jié)果(軸向)

圖4 拉伸性能試驗數(shù)據(jù)曲線(軸向)

1.2.2 橫向拉伸試驗

根據(jù)GB/T 2975—2018《鋼及鋼產(chǎn)品 力學(xué)性能試驗取樣位置及試樣制備》標(biāo)準(zhǔn)和失效管樣品尺寸，從管體橫向(周向)取尺寸為140 mm × 12.5 mm × 5 mm的拉伸試樣，按GB/T 228.1—2010《金屬材料 拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行拉伸試驗，根據(jù)GB 713—2014《鍋爐和壓力容器用鋼板》標(biāo)準(zhǔn)對試驗結(jié)果進(jìn)行評價，試驗結(jié)果見表2，試驗曲線如圖5所示。表2的試驗結(jié)果表明，材料的拉伸性能符合GB 713—2014標(biāo)準(zhǔn)的要求。

表2 拉伸性能試驗結(jié)果(橫向)

圖5 拉伸性能試驗數(shù)據(jù)曲線(橫向)

1.3 沖擊性能試驗

從失效管樣品上取沖擊性能試驗試樣，取樣方向為橫向(周向)，試件尺寸為7.5 mm × 10 mm × 55 mm。按GB/T 229—2007《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗方法》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行試驗，根據(jù)GB 713—2014《鍋爐和壓力容器用鋼板》標(biāo)準(zhǔn)對試驗結(jié)果進(jìn)行評價，試驗結(jié)果見表3。表3的試驗結(jié)果表明，材料沖擊性能滿足GB 713—2014標(biāo)準(zhǔn)的要求。

表3 沖擊性能試驗結(jié)果

1.4 金相分析

從開裂失效管段樣品的裂紋處取2個試樣(1#試樣和2#試樣)進(jìn)行金相分析，取樣位置及試樣宏觀形貌如圖6所示。

圖6 金相分析試樣的取樣位置和樣品截面形貌

從圖6可以看出，1#試樣外表面有3條明顯裂紋，裂紋最大深度為2.8 mm，裂紋表面及裂紋內(nèi)充滿了腐蝕產(chǎn)物。2#試樣外表面有2條明顯裂紋，裂紋最大深度為2.3 mm，裂紋表面及裂紋內(nèi)充滿了腐蝕產(chǎn)物。同時從未發(fā)現(xiàn)裂紋位置取1個試樣(3#試樣)進(jìn)行金相分析。其中非金屬夾雜物評定標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 10561—2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測定——標(biāo)準(zhǔn)評級圖顯微檢驗法》，晶粒度評定標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 6394—2017《金屬平均晶粒度測定方法》，顯微組織評定標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 13299—1991《鋼的顯微組織評定方法》。金相分析結(jié)果表明，1#試樣與2#試樣的組織均為鐵素體+珠光體，D類夾雜物等級均大于3級，晶粒度均為9.5級。3#試樣的組織為鐵素體+珠光體，D類夾雜物等級大于3級，晶粒度為9.5級。金相組織分別如圖7和圖8所示。

圖7 開裂失效管段裂紋處(1#試樣、2#試樣)的金相分析結(jié)果

圖8 開裂失效管段未發(fā)現(xiàn)裂紋處(3#試樣)的金相分析結(jié)果

1.5 掃描電鏡及能譜分析

分別在失效管裂紋處取2個試樣(1#試樣、2#試樣)進(jìn)行掃描電鏡及能譜分析，樣品形貌如圖9所示，能譜分析結(jié)果如圖10所示。

圖9 掃描電鏡能譜分析樣品

從圖9和圖10可以看出，1#試樣外表面有3處明顯裂紋，裂紋最大深度為2.8 mm，并有細(xì)小腐蝕坑且深度較淺，內(nèi)表面有輕微均勻銹蝕；能譜分析結(jié)果表明，裂紋處灰色腐蝕產(chǎn)物中塊狀“類似金屬”的物質(zhì)其主要元素為C、O、Fe。2#試樣外表面有1處明顯裂紋，裂紋最大深度為4.5 mm，并有細(xì)小腐蝕坑且深度較淺，內(nèi)表面有輕微均勻銹蝕；能譜分析結(jié)果表明，裂紋處灰色腐蝕產(chǎn)物中塊狀“類似金屬”的物質(zhì)其主要元素為C、O、Fe。

圖10 能譜分析結(jié)果

2 綜合分析與討論

由以上試驗結(jié)果可知，失效管樣品材料的拉伸性能(包括軸向和橫向)和沖擊性能都符合GB 713—2014《鍋爐和壓力容器用鋼板》標(biāo)準(zhǔn)的要求。管段內(nèi)表面整體完好，在外表面裂紋處的內(nèi)表面存在局部輕微均勻腐蝕。在裂紋內(nèi)和裂紋表面存在大量的氧化物雜質(zhì)，能譜分析結(jié)果證明了裂紋表面和裂紋內(nèi)的雜質(zhì)中含有大量的氧。

重沸器的工作原理是通過爐頭氣體燃燒產(chǎn)生的高溫?zé)煔饬鹘?jīng)煙火管和副煙火管，對管外的三甘醇溶液進(jìn)行加熱。三甘醇溶液的加熱溫度通常在200 ℃以上。根據(jù)對重沸器煙火管的結(jié)構(gòu)、服役工況、裂紋形貌和裂紋附近管體形貌的綜合分析結(jié)果，導(dǎo)致裂紋形成的因素有：1)失效管壁處靠近爐頭端，管內(nèi)相對溫度較高；2)重沸器的煙火管主管的失效區(qū)域為主煙火管與副煙火管束連接處下方，此區(qū)域煙火管緊密排列，三甘醇流動性相對較差；3)三甘醇溶液含有一定的鹽類或其他雜質(zhì)[11-12]。其開裂失效過程為：處于副管底部的主煙火管局部區(qū)域由于結(jié)構(gòu)的特殊性，該區(qū)域的三甘醇溶液流動性較差，形成局部高溫。三甘醇溶液中普遍存在一定量的鹽類雜質(zhì)，隨著溫度升高，鹽在三甘醇溶液中的溶解度下降，因此，在副管底部的主煙火管局部區(qū)域，易造成鹽類雜質(zhì)沉積。當(dāng)三甘醇溶液內(nèi)鹽雜質(zhì)的含量達(dá)到200～300 mg/L時，鹽類雜質(zhì)將在主煙火管上沉積；當(dāng)鹽雜質(zhì)的含量達(dá)到600～700 mg/L時，沉積速度加快，在主煙火管上形成鹽垢。鹽垢使該區(qū)域的局部高溫更嚴(yán)重，如此形成惡性循環(huán)。鹽類是一種腐蝕性介質(zhì)，鹽垢將加速對主煙火管的腐蝕。水在高溫下形成水蒸氣，水蒸氣在高溫的條件下會加速與鐵元素的化學(xué)反應(yīng)，形成氧化物。鹽垢和氧化物形成新的雜質(zhì)垢，使腐蝕區(qū)域不斷拓展，進(jìn)一步促進(jìn)了垢下的鹽和水蒸汽與主煙火管的腐蝕和氧化反應(yīng)，管體厚度不斷減薄。同時，氧化反應(yīng)也是放熱反應(yīng)，裂紋區(qū)域因局部高溫和化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的熱垢使下層的煙火管區(qū)域溫度進(jìn)一步升高，從而進(jìn)一步降低管體材料的強度。由于煙火管外側(cè)為三甘醇溶液，內(nèi)側(cè)為氣體，管體在服役工況中承受外擠的壓力。在腐蝕、高溫和熱應(yīng)力的共同作用下，垢下層的煙火管區(qū)域抗外擠強度低于所承受的外壓而發(fā)生塑性形變(內(nèi)凹)，管體越薄的區(qū)域，塑性變形程度越大。同時，在腐蝕、熱應(yīng)力和管體塑性形變等外因素的共同作用下，局部區(qū)域沿與外力方向垂直的方向萌生裂紋，裂紋尖端的應(yīng)力集中效應(yīng)將促進(jìn)腐蝕的發(fā)生，如此形成惡性循環(huán)，加速了腐蝕和裂紋的擴展，最終穿透整個管壁導(dǎo)致主管管體開裂。

3 結(jié)論與建議

1)某站場300萬脫水裝置重沸器煙火管在服役時，因煙火管的結(jié)構(gòu)特點產(chǎn)生的局部高溫和富三甘醇雜質(zhì)的沉積，使局部高溫處形成鹽垢，鹽垢下的鋼管與水蒸汽在高溫下發(fā)生氧化反應(yīng)，形成腐蝕，使管體壁厚減薄。局部高溫和化學(xué)反應(yīng)熱的共同作用，使鋼管發(fā)生局部的膨脹變形，形成內(nèi)凹形變。在腐蝕、熱應(yīng)力、管體塑性形變等外因素的共同作用下，裂紋萌生和擴展，最終穿透整個壁厚，導(dǎo)致主管管體開裂。

2)建議主煙火管材料采用高溫耐蝕鋼，提高煙火管的耐蝕性能。

3)增加擾動裝置，提高副煙火管與主煙火管結(jié)構(gòu)部位溶液的流動性，減少因雜質(zhì)的沉積產(chǎn)生的局部高溫區(qū)域可有效預(yù)防此類失效。