炼油厂二甲苯装置吸附塔格栅用管件开裂原因分析及处置

吉章红

(石油化工工程质量监督总站，北京 100100)

0 引言

某炼油厂二甲苯装置的吸附塔为A/B两塔，工作条件基本相同。 2019年5月，进行塔内件的安装，A塔完成9层格栅、8层分配管线的安装和8个吸附剂床层的装填。B塔完成8层格栅、7层分配管线的安装和7个吸附剂床层的装填。检测人员在对B塔B8格栅(自下而上第7层中间格栅)分配管线打底焊进行渗透检测(PT)时，发现一个DN80的等径三通母材有疑似裂纹，经检测确认为贯穿性裂纹，裂纹宽度约0.05 mm,如图1所示。问题管件在吸附塔中的位置见图2。

图1 等径三通裂纹

图2 问题管件在吸附塔中的位置

该二甲苯吸附塔技术参数见表1。

表1 二甲苯吸附塔技术参数

床层分配管线置于吸附剂床层中，正常操作时管外最高压力维持在1.3 MPa左右，进料时管内最高压力约1.4 MPa，出料时管内最高压力约1.2 MPa，管内外最大压差不超过0.2 MPa，操作温度约170～185 ℃。

1 取样分析及验证试验

对发生贯穿性裂纹的三通进行宏观检查、渗透检测、化学成分分析、硬度检测、拉伸试验、冲击试验和金相分析、断口电镜扫描分析等项目。

选取现场检测硬度超标的DN80 mm×65 mm异径接头、DN80 mm三通和DN80 mm弯头共22件(15个异径接头、5个三通、2个弯头)进行渗透检测、化学成分分析、硬度检测，抽取1个异径接头和2个三通进行常温拉伸试验和冲击试验。

为了考察管件长期在工作温度下脆化的趋势，选取2件硬度值较高的异径接头进行250 ℃×10 h的应变时效敏感性试验，应变时效敏感性试验前后进行对比冲击试验。

1.1 开裂三通断口宏观观察

三通沿中分面断开为两半，图3示出断口的宏观形貌，断口平齐，无明显剪切唇，呈脆性断裂特征。断口分为两个部分，深色部分为陈旧性断口，灰白色部分为新断口。

图3 断裂口示意

陈旧性断口是在制造过程中由于制造工艺不当或运输过程中由于三通塑、韧性过低产生的裂纹；新断口为安装过程中在应力作用下产生的断裂。陈旧性断口，裂纹源位于三通内壁缺陷处。

宏观上可观察到明显的纤维区、放射纹、人字纹，如图4所示。

图4 裂纹源示意

1.2 渗透检测

对开裂三通内外表面进行渗透检测，没有发现裂纹缺陷。对现场检测硬度超标的22件管件进行外表面渗透检测，发现5个三通、2个异径接头、1个弯头的内外表面有线性密集型缺陷，且均为浅表性缺陷。

1.3 化学成分分析

对开裂的三通进行化学成分分析，试验结果如表2所示。分析结果显示，其化学成分符合GB/T 13401—2017《钢制对焊管件 技术规范》[1]中CF415K的标准值要求。

表2 开裂三通化学成分分析结果 %

对现场检测硬度超标的22件管件进行化学成分分析，管件的化学成分符合GB/T 13401—2017中CF415K的标准值要求，但化学成分离散性较大。

1.4 力学性能试验

对开裂三通表面进行硬度检测，硬度值高于GB/T 13401—2017中CF415K标准值HB197。表3列出三通表面不同部位的硬度检测值。对现场检测硬度超标的22件管件进行了实验室验证性硬度检测，表面硬度高于GB/T 13401—2017中CF415K标准值(HB197)要求。

表3 开裂三通硬度(HBW)测量值

对开裂三通进行常温力学性能试验；对现场检测硬度超标的22件管件抽取1个异径接头和2个三通进行常温拉伸试验和冲击试验，试验结果见表4。

表4 常温力学性能试验结果

注：冲击试样规格为10 mm×5 mm×55 mm；拉伸试件为纵向取样

开裂三通的常温拉伸试验结果显示，材料抗拉强度和屈服强度远高于GB/T 13401—2017中CF415K标准值，而断后伸长率大大低于CF415K标准值；常温冲击试验结果显示，材料的冲击吸收能量很低，远低于CF415K标准值要求；硬度值高于CF415K标准值。均说明材料脆化非常明显。

未开裂管件的力学性能试验显示，硬度高于标准值的异径接头和三通，抗拉强度大大高于GB/T 13401—2017中CF415K标准值，而屈服强度、断后伸长率低于CF415K标准值，冲击吸收能量符合CF415K标准值。硬度合格的未开裂三通，冲击吸收能量和断后伸长率均符合CF415K标准值，材料冷作硬化不严重，但抗拉强度和屈服强度不均匀，说明性能分布不均匀。

1.5 开裂三通金相分析

在开裂三通不同部位取样进行金相观察，金相组织为铁素体+珠光体，晶粒度为9～10级细晶粒。三通制造过程受挤压部位(三通颈部)，铁素体和珠光体晶粒均被挤压变形成长条状，说明三通挤压成型后没有经过正火处理，其金相组织见图5。制造过程未被挤压变形的部位(三通直管段)，铁素体和珠光体成条带状分布，保留了钢管轧制组织，说明三通挤压成型后没有经过正火处理，同时也说明制作三通的钢管是轧制态钢管，而不是正火态钢管，见图6。

图5 开裂三通受挤压部位(三通颈部)金相照片 200×

图6 开裂三通未受挤压部位(三通直管段)金相照片 200×

1.6 开裂三通断口电镜扫描分析

对开裂三通的断口进行电镜扫描分析，选择裂纹源区和人字纹区(见图4)两个部位进行观察。图7为裂纹源能谱分析区域，其能谱分析结果见表5。图8示出人字纹区断口形貌。

图7 裂纹源能谱分析区域

表5 裂纹源部位能谱分析结果 %

图8 人字纹区断口形貌 200×

综合图7、表5可以看出，裂纹起源于三通内表面碳或碳化物夹杂处，并在制造或运输过程中发生亚临界的稳态扩展，裂纹源附近的纤维状宏观断口和微观韧窝是这一亚临界扩展的证据[2]。当在安装过程中受到较大的应力作用时，裂纹发生失稳扩展，以较快的速度发生快速断裂，断口在快速撕裂过程中形成人字纹，断口形式和断裂过程符合低应力脆断的特征。

1.7 应变时效敏感性试验

为了考察管件长期在工作温度下脆化的趋势，选取2件硬度值较高的异径接头进行250 ℃×10 h的应变时效敏感性试验。

应变时效敏感性试验前后，送检异径接头的冲击吸收能量基本没有变化，有一定的韧性储备，见表6。

表6 应变时效敏感性试验前后冲击吸收能量对比

注：冲击试样规格为10 mm×2.5 mm×55 mm

1.8 水压试验

为充分验证该批管件承压能力裕量，进行两次水压试验。

参照GB/T 20801—2006《压力管道规范 工业管道》[4]，水压试验压力一般取1.5倍设计压力，并进行温度修正，考虑到工艺管道的许用应力是基于抗拉强度取3倍安全系数，动力管道取4倍安全系数，所以水压试验取更保守的4倍吸附塔设计压力，即6.6 MPa。

(1)第1次水压试验。为了使试件更具有代表性，选取硬度超标的部分管件(10个三通，20个异径接头)连接后进行水压试验，稳压时间30 min。试压过程中未发生泄漏和变形等现象；试压后，将所有管件对称剖开，对内表面进行了PT检测，未发现超标缺陷或裂纹。

(2)第2次水压试验。由于管件化学成分离散性较大，硬度值过高，同时根据管件供货商考察结果，证明管件材料来源不明，为尽可能反映所有未安装管件的情况，现场分6个试压包，先后对所有未安装管件进行了水压试验，并将保压时间延长至1 h。试压过程中发现2个DN80三通在压力达到6.0 MPa时出现泄漏；现场对出现泄漏的2个三通对称剖开后进行了PT检测，共发现3处裂纹，长度分别为30,8,5 mm，裂纹不规则且非常细小，宽度测量困难。

2 综合分析

2.1 开裂三通分析

(1)宏观观察表明，三通断裂具有典型脆性断裂特征。

老的让开道，催促着，奖励着，让他们走去。路上有深渊，便用那个死填平了，让他们走去。 [2](第1卷，P354-355)

(2)化学成分分析结果表明，三通化学成分符合GB/T 13401—2017中CF415K标准值要求。

(3)硬度检测结果显示，三通硬度值偏高。

(4)力学性能试验结果显示，材料脆化明显。三通的冲击吸收能量(平均值4.4 J，最低值2 J)远低于GB/T 13401—2017中CF415K标准值(13.5 J)要求，表明该三通冷作硬化程度极其严重，材料韧性很低，裂纹扩展时的阻力很小，是导致脆性开裂的根本原因。

(5)金相组织观察结果表明，三通挤压成型后没有经过正火处理，制作三通的钢管是轧制态钢管，而不是正火态钢管。

(6)三通冷挤压成型后不经过正火处理，在较长时间自然失效后，经受变形的部位出现了强度、硬度升高，塑性韧性下降，这种现象称为应变时效脆化。

综合以上分析认为，三通断裂的主要原因是三通采用轧制态钢管制作，制作成型后没有经过正火处理，发生了严重的应变时效脆化，应变时效脆化可导致材料对裂纹或缺口的敏感度增大[5]，从而造成三通脆性断裂。

应变时效被认为是C和N(特别是N)与位错结合成气团，从而增加了强度、降低了韧性[6]。应变时效脆化产生的原因，是氮化物在位错上及其他结晶缺陷的析出，这些缺陷是在冷加工过程中形成的。通过冷加工后的去应力热处理，可以减小或消除应变时效的影响，因为在去应力过程中，氮化物的形核位置大量减少[7]。

2.2 未开裂管件检测、试验结果及水压试验结果分析

(1)该批管件不是由同一种材质的原材料加工而成，可能包括20#、WPB(SA 234—2019[8])或16Mn。根据标准，20#强度和硬度值最低，16Mn最高，WPB介于两者之间。这三种材料均可应用到吸附塔操作工况，考虑到经济性和可获得性，设计时选用了20#。

(2)管件采用冷成型工艺，冷成型后未按设计或标准要求进行正火热处理，这是其硬度、抗拉强度、断后伸长率不合格的原因。但除发生贯穿性裂纹的三通外，按硬度值较高选取的送检管件冲击吸收能量满足标准要求，且2个硬度值超标的异径接头试件经250 ℃×10 h时效处理后，冲击吸收能量基本没有变化，表明其有一定的韧性储备，即对裂纹扩展具有一定的阻力，在吸附塔操作环境下，发生裂纹失稳扩展的风险很小[9-12]。

(3)根据吸附塔的设计压力，考虑工程设计比较保守的4倍安全系数，进行6.6 MPa的水压试验。试压过程中虽有2个三通在6.0 MPa压力下发生泄漏，但裂纹并未急剧扩展，其所能承受的压力已远高于管件的操作压力(内外压差最大约0.2 MPa)，水压试验结果表明，其承压能力远大于设计要求的1.65 MPa，具有较大的安全系数。

3 总结和建议

3.1 对已安装部分管件的推论

因这批管件已经分析是不合格的，如果现场施工遇到这种情况，按照通常的质量管理，会对这批管件进行普查，进而对于这批管件全部更换。但是在这次施工中，如果要更换已经安装的管件，必须将已经装填的催化剂全部掏出进而报废，因催化剂很昂贵且返工成本巨大，对已经安装的管件也无法进一步检查。已经安装的管件是否能够安全运行，只能根据对未安装管件的试验结果进行推断。

(1)未安装管件的一系列检测和试验结果，基本能够反映低碳钢管件冷成型后未进行热处理而导致各项力学性能指标不满足标准和设计要求的总体情况。虽然该批管件为不合格产品，但水压试验显示其承压能力有较大的安全系数；应变时效敏感性试验前后冲击吸收能量均满足GB/T 13401—2017中CF415K标准值要求，表明这些不合格管件仍具有一定的韧性储备。此外，在所有未安装管件中，未发现第2个类似发生脆性开裂三通的管件。

(2)在吸附塔内件安装过程中，各关键工序均经过多方联合检查，安装前对所有管件外表面进行了PT检测，未发现贯穿性裂纹。

(3)每层吸附剂装填后，均进行了完整性试验(压力约0.04 MPa)，未发现吸附剂泄漏；底格栅管线进行了泄漏试验(压力约0.004 MPa)，未发现泄漏。

(4)已安装管件即使存在内表面线性缺陷或裂纹，但塔内管件允许少量泄漏；除发生贯穿性裂纹的三通的冲击韧性不合格外，其他送检试样的冲击吸收能量都合格，同时管件操作工况应力很小，裂纹失稳扩展可能性不大[13]，吸附剂泄漏的风险较低。

3.2 建议

根据以上试验及分析，该批次管件按以下原则进行现场处置。

(1)对已经安装的管件不再进行处理，允许投入使用，但运行过程中应加强监护，待下一次停工大修时择机更换。

(2)未安装的管件全部报废。