炼化企业低压气柜开裂失效原因分析及解决措施

(中国石化塔河炼化有限责任公司，新疆 库车 842000)

1 低压气柜工况

某炼化企业Q235B材质的气柜用于储存炼化企业各装置排放的干气，干气的主要组成为C4及以下烷烃、H2和N2，同时含有一定量的H2S，CO2和水。气柜工况及介质组成见表1。气柜柜壁和底板壁厚均为6.5 mm，底板焊接采用手工焊，焊材为J427，气柜内外表面均有涂层防护。2018年冬季停工检修期间，在气柜柜壁及相连底板处发现了裂纹。

表1 低压气柜工况及介质组成

2 检测分析

2.1 宏观观察

气柜开裂处柜壁内、外部宏观形貌见图1。

图1 1号气柜开裂处宏观照片

由图1可以看出，柜壁竖直段(A板)和底板(B板)通过焊接相连接，气柜内、外部均有涂层防护，内部涂层状态良好，无明显起皮脱落现象，而外部底板边缘处涂层脱落，金属基体裸露。

裂纹从柜壁拐角处向两侧均有延伸，A板裂纹形态平直，从底部斜向上方扩展，未见有分叉现象，裂纹长度约53 cm。由裂纹的形态初步判断，A板裂纹是由角焊缝起源，沿A板向上扩展。将A板、B板整体切割下来观察(见图2)，可以发现，B板有补焊区域，焊缝部位多处未熔合，且夹有一块填充板，填充板与柜壁未焊透且未熔合。

图2 气柜底板焊接处宏观形貌

2.2 化学成分分析

对气柜材质进行化学成分分析，结果如表2所示。元素成分含量符合相关标准的要求[1-2]。

2.3 力学性能

参照文献[3]和文献[4]的标准试验方法，对气柜所用Q235B材质进行拉伸和冲击性能测试，结果见表3和表4。从表3和表4可以看出，虽然该材质的拉伸性能、0 ℃冲击性能和20 ℃冲击性能均满足标准规定的要求,但其-20 ℃冲击性能较差。

表2 气柜Q235B钢化学元素分析结果 w，%

表3 气柜材质的拉伸性能

表4 气柜材质的冲击性能

2.4 硬度测定

在柜壁裂纹附近的母材、焊缝及热影响区分别选点进行硬度测试，结果显示,Q235B钢板母材、焊缝及热影响区硬度均≤200 HBW，硬度值符合相关标准规定。

2.5 金相分析

分别从气柜的母材、热影响区(粗晶区)及焊缝部位取样，参照文献[5]和文献 [6]的标准方法进行金相形貌观察和夹杂物评定，金相分析结果如图3所示。其中母材为铁素体+珠光体组织，热影响区为粗针铁素体+粒状贝氏体+珠光体组织，焊缝为粗针状及块状铁素体+粒状贝氏体+少量珠光体组织。气柜的母材、焊缝及热影响区中未发现异常组织。

图3 母材、粗晶区及焊缝区的金相

气柜Q235B材质母材及焊缝夹杂物评定结果见表5。

表5 母材及焊缝夹杂物评定结果

由表5可以看出，焊缝夹杂物较母材夹杂物更多，其夹杂物为单颗粒球类(DS 2.0)。

2.6 断口分析

为了详细研究整个裂纹不同区域的断口特征，在裂纹上选择了3个部位分别取样做断口分析。取样位置及其断口宏观形貌如图4所示。由图4可以看出，1号断口表面呈黑色，并带有红色铁锈，断口表面均为腐蚀产物所覆盖；2号断口表面呈黑色，部分区域带有红色铁锈,连接B板一侧断口粗糙，存在腐蚀现象，但是较1号断口腐蚀程度轻；3号试样断口呈银灰色，未见有明显的腐蚀产物，可以看出明显的裂纹扩展条纹。可以判定，A板内外表面同时开裂，裂纹由2号焊接接头处向A板扩展。

图4 断口取样位置及宏观形貌

对1号断口进行扫描电镜微观形貌观察(见图5)，可以看出,整个断口被附着物所覆盖，断口分为Ⅰ和Ⅱ两个区域，形貌略有不同。对两个区域进行能谱分析(EDS)，结果见表6。两个区域的腐蚀产物中均含有一定量的O和S元素，证明开裂前期已产生明显腐蚀。断口部位外表面为腐蚀产物所覆盖，内表面涂层完好，进而判断焊缝部位外部首先发生了腐蚀。

图5 1号试样断口微观形貌

3号断口试样的微观形貌如图6所示。由图6可以看出，内外表面存在河流花样和少量剪切唇。EDS分析也显示断面无明显的氧化腐蚀及H2S腐蚀迹象。该部位裂纹呈穿晶裂纹形貌，断口大部分区域有解理台阶存在，因此判断该部位为解理断裂[7]。

表6 断口不同区域EDS分析结果 w，%

图6 3号试样断口的微观形貌

3 分析与讨论

综合失效部位钢板的各项分析结果，可以判断气柜开裂失效原因。

(1)底板焊缝存在较大的结构应力。一方面，焊接控制不当会使底板焊缝存在较大的焊接应力；另一方面，该底板上方设计了脱水器，底板下方由于沥青砂流失而悬空，使底板存在较大的结构应力。焊接应力和结构应力叠加作用于气柜焊缝是其发生开裂的应力因素。

(2)气柜材质Q235B的低温夏比冲击吸收功测试值仅为9 J，远低于标准要求的27 J。现场冬季环境长期处于0 ℃以下，停工期间气柜处于-10 ℃ 及更低温度下，Q235B材质的抗冲击性能降低，极易发生脆性断裂，这是发生开裂的材质因素。

(3)一旦形成微裂纹，尤其在前期裂纹孕育期，内部涂料局部破损，形成湿H2S腐蚀环境，进一步加剧了材料的腐蚀破坏。

(4)在气柜服役期间，一旦结构应力超过材质的临界应力，最薄弱的底部夹板部位首先沿焊缝张开，该结构应力继续传递到临近壁板和底板上，使其产生变形，在内部缺陷特别是夹杂处形成微裂纹。微裂纹在结构应力的持续作用下，快速扩展并沿内部缺陷集中处分别向上(壁板方向)、向内(底板方向)延伸。

4 结论及建议

(1)柜壁底部施焊过程中添加填充板，焊缝未完全熔合，焊接质量较差。该部位长期暴露在空气中，焊缝部位首先产生腐蚀，在结构应力的作用下发生开裂。

(2)冬季长期处于低温条件下，气柜停工期间柜壁材质不能满足低温冲击性能要求，最终产生了低温脆断。

(3)建议加强焊接管理，确保焊接质量。

(4)建议及时维护气柜底部边沿结构，避免沥青砂流失，如果发生流失应及时补充维修。脱水器也应增加支撑，减轻柜壁所承受的应力。

(5)鉴于冬季最低气温在0 ℃以下，建议气柜停工检修应避开冬季。

(6)建议选用低温性能更好的Q235D或其他低温用钢，出厂时做低温冲击试验，保证-20 ℃情况下的夏比冲击吸收功不小于27 J。