加氢装置的热低压分离器液位计接管开裂分析

 

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zui大的一种失效形式，受到国内外专家的普遍关注[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.

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zui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。

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。

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。

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：

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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