加氢裂化装置反应器出口管线法兰开裂原因分析

2020-12-11

石油化工设备 2020年5期

(中国石油大连石化分公司，辽宁大连 116011)

1 加氢裂化装置反应器出口管线法兰开裂情况

某天然气公司3.6×106t/a加氢裂化装置中的1台加氢裂化反应器出口管线法兰在使用中发生开裂，失效法兰结构见图1。该法兰规格为DN500 CL250RJ，材质为A182-F347Ⅲ级锻件，设计压力为16.45 MPa，操作压力为15.46 MPa，设计温度为454 ℃，操作温度为434 ℃，管内介质主要为油气、氢气、硫化氢和氨气，设备在运行过程中未出现超温、超压等情况。

2 加氢裂化装置反应器出口管线失效法兰宏观检验

依据NB/T 47013.5—2015《承压设备无损检测第5部分：渗透检测》[1]的要求对法兰进行渗透检测，以法兰密封面圆周0°、90°、180°、270°方向为切割线，将法兰沿管轴轴向均分为4块，观察4个切割面裂纹形态，其中0°、90°、270°切割面存在裂纹。送检失效法兰宏观形貌和切割线标记情况见图2。

图1 加氢裂化装置反应器出口管线法兰结构

送检法兰的渗透测验结果显示，裂纹集中在法兰密封槽内，环向开裂，裂纹环向长度约占密封面圆周周长的4/5。观察4个切割面裂纹形态，其中0°、90°、270°切割面存在裂纹，法兰剖面裂纹总体形貌见图3。

图3中所示裂纹呈弧形向法兰颈部方向延伸，测得自法兰密封槽底部至裂纹尖端最大深度约为165 mm。裂纹周边金属颗粒在切割过程中发生脱落，裂纹面呈黑色，存在金属颗粒。根据裂纹宽度和经验可以判断，启裂区位于法兰内部裂纹宽度最大部位。

图2 失效法兰整体宏观形貌和切割线标记情况

图3 失效法兰裂纹形态

3 加氢裂化装置反应器出口管线失效法兰开裂原因分析

3.1 化学成分分析

依据GB/T 20123—2006/ISO 15350:2000《钢铁总碳硫含量的测定高频感应炉燃烧后红外吸收法(常规方法》)[2]及GB/T 223系列标准方法[3-8]对法兰进行化学成分分析，结果见表1。由表1可见，各化学成分满足ASTM A182—2018《高温用锻件或轧制合金钢和不锈钢、锻制管件、阀门和部件》[9]对F347材料的要求，失效法兰材质符合设计、制造要求。

表1 失效法兰化学成分分析(质量分数) %

3.2 金相组织分析

根据裂纹分布位置及扩展形态，共取3个金相试样，1#试样取自法兰密封面附近，2#试样取自法兰中部，3#试样取自法兰轴向裂纹尖端，3个试样均以法兰轴截面为检验面。3个金相试样金相组织见图4，可见3个取样点的金相组织分析结果相差不大，为奥氏体+析出相，析出相呈现颗粒状，分布于晶界及晶内，奥氏体晶粒粗大，晶粒度等级为G0。

图4 失效法兰试样金相组织

选取3#试样在光学显微镜下进行裂纹微观形貌观察，见图5。

图5 光学显微镜下3#试样裂纹形貌

从图5获得的裂纹整体扩展形态为，裂纹呈树枝状，沿晶、穿晶混合扩展，分支较多，细微处多为螺旋状平行结构、锲形、波状结构特征，且沿晶界扩展裂纹宽度大于穿晶裂纹宽度，说明裂纹扩展优先沿晶界发生，启裂于晶界。

扫描电镜下3#试样裂纹形貌见图6。采用EDAX能谱分析方法对图6中3#试样析出相及基体成分进行对比分析。

图6 扫描电镜下3#试样裂纹形貌(1 020×)

EDAX分析的结果表明，析出相与基体所含主要元素相同，只是析出相中Cr元素质量分数高于基体组织中Cr元素质量分数，约23.9%；Ni元素质量分数低于基体组织中Ni元素质量分数，约4.6%。析出相在晶界富集过程中大量的Cr元素发生偏聚，势必造成晶界出现贫铬区，Cr元素质量分数的差异会在微区内降低晶界耐蚀性、韧性以及塑性。

3.3 力学性能分析

按照GB/T 228.1—2010《金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》[10]的要求对法兰力学性能进行测试，横向、纵向分别取拉伸试样，纵向拉伸试样编号为1#，横向拉伸试样标号为2#，试验结果见表2。表2中硬度测试的试验力对应的硬度符号为HBW 10/3000。

表2表明，法兰横向拉伸试样性能满足标准要求，纵向拉伸试样性能除断面收缩率外，其余均满足标准要求。对比横向、纵向拉伸试样各性能数据，纵向拉伸试样强度明显低于横向拉伸试样强度，以断面收缩率为例，纵向拉伸试样断面收缩率仅为横向试样的42%，说明法兰材料存在明显的各向异性。依据GB/T 231.1-2018《金属材料布氏硬度试验第1部分：试验方法》[11]进行对法兰硬度进行测定，测定值小于200 HBW，法兰硬度正常。

表2 常温拉伸试验结果

3.4 裂纹面微观形貌分析

打开法兰裂纹，观察到的断口宏观形貌见图7，启裂区、扩展区、裂纹尖端分别以A、B、C区标识。A区附着有黄褐色垢物，B区附着有黑灰色垢物，C区断面无垢物，呈灰色，断面发亮，存在金属小颗粒。经超声波清洗后，A区垢物易脱落，断面光亮，存在发亮金属小刻面。B区垢物难清理，局部区域露出金属基体。从垢物颜色和脱落难易程度判断，该法兰裂纹启裂于B区，向A、C区方向扩展，与宏观检验结果一致。

图7 法兰裂纹断口宏观形貌

采用扫描电镜对裂纹面微观形貌进行观察，结果见图8。A区断面以河流状花样、解理台阶为主，呈解理开裂特征。B区微观形貌呈冰糖状、石头状，晶界清晰，晶面附着有颗粒状、短棒状产物，经EDAX分析，产物主要成分为Fe、O和Cr。C区存在解理台阶，台阶高度差较小。从裂纹面微观形貌看，启裂区断面以沿晶开裂特征为主，扩展区断面以解理花样开裂特征为主。断面其余部位垢物中含有Fe、Cr、Ni、K、O、Si、Nb和S元素。

3.5 应力作用下断口形貌分析

法兰裂纹扩展形态和微观形貌分析均表明，裂纹优先在晶界部位扩展，之后在外力的作用下穿晶扩展，为了进一步验证裂纹的萌生与扩展，采用扫描电镜对横向拉伸试验断口形貌进行分析，结果见图9。

从图9可见，断面起伏较大，存在较多二次裂纹，启裂区位于试样中心部位。从微观形貌看，整个断面以沿晶扩展裂纹和韧窝特征为主，说明该材料在拉伸应力的作用下存在沿晶开裂倾向，晶内材料存在一定韧性。这与断口启裂区微观形貌特征相符，说明材料在应力作用下晶界部位易萌生裂纹并连接、扩展。

图8 法兰裂纹面扫描电镜微观形貌

图9 横向拉伸试验断口扫描电镜形貌

4 分析与讨论

4.1 工艺状况分析

失效法兰为加氢裂化反应器出口管线法兰，开裂部位位于法兰密封槽内，正常情况下密封槽内不会接触有害介质，没有发生环境应力腐蚀开裂的条件，即使在使用过程中管内介质意外蹿入密封槽内，介质中的油气、氢气、硫化氢和氨气，可能存在氢脆、氨应力腐蚀开裂及湿硫化氢引起的氢鼓包、氢致开裂、应力导向氢致开裂和硫化物应力腐蚀开裂等损伤机理，也不存在发生上述损伤的可能，因为该法兰材质为A182-F347，属于奥氏体不锈钢，上述损伤模式对该种材质不敏感。

从法兰断面污垢形成物化学分析结果看，污垢形成物中也不存在Cl元素，即断面没有发生氯化物的聚集，不存在发生氯化物应力腐蚀开裂的条件。

综上所述，在该工艺条件下，无论其介质氢分压、硫化氢、氨气含量有多高都不存在应力腐蚀开裂，结合内壁宏观形貌检查结果，管内壁光亮，无腐蚀坑、裂纹等失效形式存在，所以管内介质对法兰无腐蚀、应力开裂倾向。

4.2 缺陷来源分析

金相组织显示，奥氏体晶界存在颗粒状析出相，裂纹优先在存在析出相的、晶粒尺寸较大的晶粒边界萌生。经EDAX分析，析出相中Cr、C元素含量高于基体组织，C在奥氏体中的溶解度随温度的下降而减低，会向晶界附近迁移，并与晶界附近的Cr结合，生成Cr23C6，从而使晶界附近贫铬。但是其形成温度一般在450～850 ℃[12]，而该法兰使用温度为434 ℃，在该运行条件下不会发生晶界第二相颗粒的析出，晶界第二相颗粒在使用前已发生。

该法兰为锻件，一般要求其晶粒度不小于5级，而该法兰晶粒度等级为G0，晶粒尺寸长大明显。奥氏体晶粒的长大是一个相变过程，其转变温度需高于奥氏体形成温度(一般大于900 ℃)，并保温一定时间，而该法兰使用温度为434 ℃，不会对材质本身的晶粒大小产生影响，故而材料中粗大的奥氏体晶粒只能在制造过程中产生。如锻造过程中锻件温度过高或在一定锻造温度下，变形程度处于临界变形度范围时，不锈钢锻件再结晶后的晶粒就比较粗大。较为粗大的晶粒使材料塑性降低，增大其存在析出相的晶界强度下降，在应力作用下产生脆性裂纹的可能性[12-14]。法兰在锻造过程中形变速率很大，材料塑性变形受阻时在强烈变形区域产生应力集中，通过萌生微裂纹释放应力，微裂纹逐渐长大，裂纹长度达到格里菲斯临界长度时发生裂纹扩展，断口形貌表现为解理、准解理开裂特征[15-16]，这与该法兰裂纹断口形貌相吻合。

启裂区断口表面存在柱状氧化物和微裂纹表面的颗粒状多边形氧化物，以Fe、O、Cr元素为主，为不锈钢高温氧化的结果。该法兰材质为奥氏体不锈钢，只有在高于800 ℃的情况下才会发生氧化[17]，而该法兰正常运行温度为434 ℃，不会形成具有规则多面体形态的富Cr氧化物，即断面氧化物颗粒不是在设备运行过程中产生，而是在法兰制造过程中产生。

4.3 受力分析

检验结果表明，法兰组织存在缺陷，启裂区位于内部，可以推断在法兰投入使用过程中或许其内部已存在沿晶的脆性裂纹。有研究表明，对于脆性材料，平行于裂纹的压应力对裂纹的扩展有驱动作用[18]，虽然法兰材料不属于脆性材料，但因其粗大的晶粒和晶界脆性相颗粒的存在，在微观状态下裂纹尖端周边受力情况可参考脆性材料特征。该法兰裂纹沿管纵向扩展，在服役过程中管壁承受较大的压应力，即压应力方向与裂纹方向平行，依据脆性材料裂纹扩展特点，法兰运行过程中对管壁造成的压应力会促进材料内部微裂纹的扩展。