双相不锈钢复合板制常压塔顶封头内表面开裂原因分析*

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(合肥通用机械研究院有限公司 国家压力容器与管道安全工程技术研究中心,安徽 合肥 230031)

炼油厂常压塔顶系统处于HCl-H2S-H2O腐蚀环境[1-2]，对碳钢表现为均匀腐蚀、局部腐蚀或沉积物下腐蚀，对铁素体不锈钢表现为点状腐蚀，对奥氏体不锈钢则表现为晶间腐蚀、应力腐蚀开裂。在高酸、高硫原油加工装置设备和管道设计选材导则中，常压塔顶封头和顶部筒体复合板的覆层材质均推荐采用双相不锈钢[3]。

双相不锈钢(简称双相钢)是由奥氏体(γ相，体积分数50%～70%)和铁素体(α相，体积分数30%～50%)两相组织构成的不锈钢，比碳钢具有更好的耐均匀腐蚀、耐局部腐蚀性能，比铁素体不锈钢具有更好的耐点蚀性能，比奥氏体不锈钢具有更好的耐晶间腐蚀和应力腐蚀性能。

某炼油厂双相钢爆炸复合板制常压塔顶封头在服役4 a后首次检验，发现其内表面存在大量裂纹。通过现场检查和对开裂部位的理化检验，结合其服役工况和制造工艺，分析了塔顶封头开裂的原因，并提出了合理化建议。

1 常压塔顶封头内表面开裂情况

该常压塔于2011年9月投用，2015年12月进行首次定期检验，检验时发现塔顶封头内表面对接焊缝及母材存在大量裂纹，裂纹宏观形貌见图1和图2。

塔顶封头和塔顶筒体(上数5层塔盘)采用Q345R+022Cr23Ni5Mo3N爆炸复合板制造，内径5 600 mm，复合板厚度14 mm+3 mm，供货状态为消除应力+覆层表面酸洗钝化。

图1 塔顶封头内壁母材裂纹

图2 塔顶封头内壁焊缝区裂纹

2 缺陷部位理化检验

2.1 化学成分

对塔顶封头内壁母材、塔顶封头内壁焊缝、顶部筒体母材和顶部筒体焊缝进行化学成分分析，结果见表1。从表1可知，塔顶封头和顶部筒体使用的双相钢爆炸复合板内表面覆层的双相钢材质成分合格。

表1覆层材料化学成分

w，%

2.2 金相检验

对顶部筒体双相钢复合板覆层母材、塔顶封头双相钢复合板覆层裂纹区域进行金相检验，金相组织照片见图3至图5。

图3 顶部筒体覆层母材金相

图4 塔顶封头覆层母材裂纹处金相

从金相组织照片可以看出：顶部筒体双相钢复合板覆层母材金相组织主要是黑色的球状体(铁素体)和灰白色的多边形体(奥氏体)，为典型的双相钢金相组织；塔顶封头双相钢复合板覆层金相结构与顶部筒体双相钢复合板覆层金相结构确有不同，尤其是在裂纹附近；塔顶封头裂纹呈树枝状向外扩散。

图5 塔顶封头覆层母材裂纹形貌

2.3 硬度测定

对塔顶封头双相钢复合板覆层母材、热影响区、焊缝以及顶部筒体双相钢复合板覆层母材、焊缝进行里氏硬度测定，结果见表2。硬度具体检测位置见图6。

图6 塔顶封头检测位置

从表2可以看出,塔顶封头双相钢复合板覆层母材硬度(319 HL)和其焊缝硬度(274 HL)均明显高于顶部筒体双相钢复合板覆层母材硬度(287 HL)和筒体覆层焊缝硬度(241 HL)。

2.4 铁素体含量测定

对塔顶封头双相钢复合板覆层母材、热影响区、焊缝以及顶部筒体双相钢复合板覆层母材、焊缝进行铁素体含量测定，检测结果见表3。具体检测位置见图6。

表3 覆层材料铁素体体积分数 φ，%

从表3测定结果可以看出,顶部封头双相钢复合板覆层焊缝的铁素体体积分数为19.8%,低于顶部筒体双相钢复合板覆层焊缝的铁素体体积分数(22.9%)。

3 开裂原因分析

3.1 常压塔选材情况与腐蚀分析

3.1.1 选材情况

该炼油厂常减压蒸馏装置设计加工原油硫质量分数1.51%、酸值1.0 mgKOH/g，依据相关选材导则的规定，该原油属高硫、高酸原油。装置具体选材情况如下：塔顶封头和顶部筒体(上数5层塔盘)处于HCl-H2S-H2O腐蚀环境，主要损伤机理为盐酸腐蚀、氯化铵垢下腐蚀、酸性水腐蚀、氯化物应力腐蚀开裂和湿硫化氢环境开裂，故选用双相钢复合板，碳钢基材为Q345R，覆层材质为双相钢022Cr23Ni5Mo3N；上部筒体(6至22层塔盘)主要损伤机理为湿硫化氢环境开裂，选用铁素体不锈钢复合板，碳钢基材为Q345R，覆层材质为06Cr13；下部筒体及底部封头为高温部位，主要损伤机理为高温硫/环烷酸腐蚀，选用奥氏体不锈钢复合板，碳钢基材为Q345R，覆层材质为022Cr17Ni12Mo2。

3.1.2 腐蚀分析

在塔顶的HCl-H2S-H2O腐蚀环境使用双相钢复合板，既能耐盐酸腐蚀又能耐一定程度的氯化物应力腐蚀开裂，从设计选材角度是满足工艺要求的。但在首次检验中发现大量的裂纹，结合理化检验的结果，有两种可能：一是原始裂纹；二是双相钢爆炸复合板在生产或成型过程中发生一定程度的损伤，降低了其本身的耐腐蚀性能。

查阅双相钢爆炸复合板原始制造资料，发现双相钢爆炸复合板供货状态为正火，供货时对钢板覆层焊缝及其热影响区进行100%渗透检测，全部合格，未发现裂纹。双相钢爆炸复合板制塔顶封头的供货状态是消除应力+覆层表面酸洗钝化。常压塔安装时并未发现塔顶封头内壁及焊缝有原始裂纹。

这也就是说双相钢爆炸复合板制塔顶封头在生产或成型过程中发生了损伤，降低了其耐腐蚀性能，遇到塔顶系统HCl-H2S-H2O腐蚀环境，发生了开裂。

3.2 组织特点和制造工艺分析

3.2.1 双相钢组织特点分析

双相钢兼有铁素体相(α)和奥氏体相(γ)的特点，具有优异的力学性能和耐蚀性能，广泛应用于石油化工、制药、食品、海洋工程等领域。其不足之处在于成型过程中易于析出第三相，如σ相(Fe-Cr-Mo金属间化合物)。σ相是一种具有四方结构、富Cr富Mo的脆性相。由于双相钢中合金元素含量很高，因此σ相的形成主要通过合金元素的置换扩散以及在铁素体和奥氏体中的重新分布来实现[4-6]。钢中出现少量的σ相就会使钢的韧性和塑性急剧下降，σ相的析出使其周围组织贫铬、贫钼，从而降低其耐蚀性能，导致塔顶封头易于发生晶间腐蚀和应力腐蚀开裂。

3.2.2 复合板制造工艺分析

塔顶封头材质为碳钢+双相钢爆炸复合板，在爆炸复合过程中，基层与覆层之间发生高速碰撞，使界面两侧材料局部冲击硬化，爆炸复合材料内部产生宏观和微观的残余塑性变形，导致双相钢中出现了残余应力。当双相钢在300～1 000 ℃进行消除应力热处理时，如果温度高，则容易出现σ相、碳化物、氮化物等二次相析出，造成材料脆化；如果温度低，则残余应力消除不彻底。这就导致双相钢爆炸复合板容易产生残余应力和析出σ相。该装置中爆炸复合板制塔顶封头的供货状态是消除应力+覆层表面酸洗钝化，会留下残余应力和析出σ相，遇到塔顶HCl-H2S-H2O腐蚀环境， 发生晶间腐蚀和应力腐蚀开裂，造成塔顶封头内壁出现裂纹。金相检验结果验证了σ相的析出，封头覆层母材硬度(319 HL)和封头覆层焊缝硬度(274 HL)均明显高于筒体覆层母材硬度(287 HL)和筒体覆层焊缝硬度(241 HL)，也与σ相析出会导致双相钢硬度提高的现象一致。

4 结论及建议

(1)常压塔顶封头处于HCl-H2S-H2O的腐蚀环境，选用双相钢复合板，既可以抵抗均匀腐蚀、局部点腐蚀，还可以抵抗应力腐蚀开裂，符合选材要求。然而，爆炸复合板在生产或成型过程中会带来残余应力和σ相析出，这不仅会导致双相钢硬度上升和塑韧性下降，还会大幅降低其耐腐蚀性能，一旦遇到HCl-H2S-H2O腐蚀环境，则易出现应力腐蚀开裂；

(2)对于常压塔顶HCl-H2S-H2O腐蚀环境，可以选择碳钢为基材，内贴双相钢衬里或者整体选用双相钢材质，避免双相钢爆炸复合板在生产和成型过程出现残余应力和σ相析出现象，从而防止应力腐蚀开裂发生。