蜡油加氢装置液位计下引线阀出口管失效分析

郭福平， 吕运容， 范志卿， 李伟明

（1.广东石油化工学院 机电工程学院， 广东 茂名 525000；2.广东省石化装备故障诊断重点实验室， 广东 茂名 525000）

随着我国所炼制原油的重质化、 劣质化和对环保排放要求的日益严格［1-4］，降低油品杂质、提高油品质量成为了炼油的重要目标。 加氢处理是最主要的原油加工工艺之一［5］。 蜡油加氢装置主要以常减压蒸馏装置的减压蜡油、 焦化蜡油为原料，通过加氢处理，将油品中的S、N 元素脱除，并进行烯烃饱和处理，为催化裂化过程提供原料［6］。在蜡油加氢装置运行过程中， 会出现很多失效事故［7-9］，影响装置稳定运行。

文中以某石化企业蜡油加氢装置中断裂失效的冷高分罐液位计下引线阀出口管为研究对象，从多方面对其断裂失效原因进行分析， 并提出改进建议。

1 下引线阀出口管失效情况

某石化企业蜡油加氢装置冷高分罐液位计的下引线阀出口管发生了断裂泄漏， 具体泄漏位置见图1。

该下引线阀出口管的材质为A106B （对应国内的20 钢），规格为ϕ26.7 mm×5.6 mm，设计压力15 MPa， 运行压力9～10.2 MPa， 使用温度35～55 ℃。 出口管内介质为冷高分油（氢气+ 油气+ 硫化氢+ 氨气）。

2 下引线阀出口管失效分析

2.1 宏观观察

对出口管裂纹所在外表面位置进行渗透检测，得到的形貌见图2。

对出口管泄漏位置切割取样，并沿轴向对称切开， 得到的下引线阀出口管裂纹段管内外宏观形貌见图3。

图3 出口管裂纹段管内外形貌

从图2 和图3 可以看出，出口管裂纹平直，呈一字型，外短内长，沿管轴向方向开裂。 沿下引线阀出口流向裂纹由细变粗， 长度50～55 mm （图3a）。 从图3b 可以看出裂纹在内壁上的大致走向和位置， 内壁表面存在一些腐蚀坑， 裂纹长度60～70 mm。

将裂纹位置管段打开，发现其断口平齐，没有明显的塑性变形和剪切唇， 可观察到明显的疲劳辉纹，属于疲劳断裂断口。

从图4 所示的出口管断口疲劳特征区域图上可观察到明显的裂纹源区、疲劳扩展区和瞬断区。据此推断，裂纹起源于下引线阀出口管内壁，有多个裂纹源，属于多源启裂。 裂纹从内壁启裂后，在交变弯曲载荷的作用下，向中心方向扩展。裂纹扩展区上有明显的疲劳辉纹，可观察到人字纹。面积较小的瞬断区是裂纹最后断裂的区域， 当裂纹扩展到一定程度时， 在拉伸和弯曲应力的共同作用下最终撕裂泄漏。

图4 出口管断口疲劳特征区域示图

2.2 化学成分、硬度及垢物pH 值分析

根据GB/T 4336—2016 《碳素钢和中低合金钢多元素含量的测定火花放电原子发射光谱法（常规法）》［10］， 采用原子发射光谱分析法对失效出口管试样进行化学成分分析，结果见表1。 从表1 看出，该管段材质的Mn 质量分数超标，其它元素质量分数符合GB/T 699—2015《优质碳素结构钢》［11］中的要求。

表1 失效出口管化学成分及标准要求（质量分数） %

在失效出口管上随机选取5 个测点进行硬度检测， 测得的硬度分别为258.17HB、253.24HB、256.39HB、251.53HB、248.81HB，平均253.63HB，硬度远超GB/T 699—2015 中规定的不大于156HB 的要求， 也高于控制硫化物应力腐蚀的硬度指标200HB［9］，说明该管段硫化物应力腐蚀敏感性较高。

将下引线阀沿着出入管轴向剖开， 发现管内壁有很多垢物，用pH 试纸检测，垢物的pH≥8.5，呈碱性。 结合管内介质及文献［12］分析该垢物为碱性硫氢化铵（NH4HS），是导致该管段内表面点蚀的原因。

2.3 金相组织分析

在失效出口管上近阀门端裂纹尖端部位取样进行金相组织分析［8］，得到了出口管管段纵向截面和横向截面的金相组织，见图5。

图5 出口管管段不同截面金相组织

由图5a 可以看出，管段纵向截面为条带状铁素体+ 珠光体组织， 晶粒沿钢管轧制方向被拉长和变形，说明该管段钢管为轧制状态，没有经过有效的正火处理。 由图5b 看出，管段横截面为条带状珠光体+ 铁素体组织。

出口管裂纹尖端金相组织见图6。 从图6 可以看出， 裂纹是沿着条带状的晶粒组织扩展和撕裂的（图6a），并从管内壁向外壁呈穿晶型扩展开裂（图6b）。

图6 出口管裂纹尖端金相组织（200×）

2.4 断口电镜扫描分析

为进一步分析出口管断裂的过程和特征，选择断口的裂纹启裂源区、 扩展区和瞬断区3 个部位进行断口电镜扫描观察和能谱分析， 断口扫描电镜观察部位见图7，各观察区微观形貌见图8。

图7 出口管断口扫描电镜观察部位

从图8a 和图8b 可以看出， 裂纹均启裂于管内壁的腐蚀坑， 可观察到以裂纹源为原点的放射纹。 裂纹在内壁萌生后，向管外壁及轴向扩展，断口上可观察到明显的疲劳辉纹。 图8c～图8e 为裂纹扩展过程的微观形貌， 可观察到明显的疲劳辉纹，大部分金属有被挤压的痕迹。 从图8f 可以看出，瞬断区面积较小，断口上可观察到韧窝。 图8 表明，出口管裂纹扩展具有明显的疲劳特征，疲劳开裂是裂纹扩展的推动力之一。

图8 出口管断口各观察区电镜扫描微观形貌

2.5 断口能谱分析

对图9 所示出口管断口区域进行能谱分析，结果见表2。 表2 的分析结果显示，断口上主要为金属氧化物、硫化物和氯化物，其中S 质量分数达到1.53%。

图9 出口管断口能谱分析区域

表2 出口管断口能谱分析结果

为进一步了解出口管裂纹尖端的特征和裂纹扩展的影响因素， 将裂纹尖端处打磨后进行能谱分析，结果见图10。 从图10 看出，在裂纹尖端处有硫化物、 氯化物存在，S 质量分数高达0.35%。结合出口管材料组织性能和断口特征， 认为裂纹是硫化物应力腐蚀开裂形成的， 其损伤形态一般为在高硬度区表面起裂，并沿厚度方向扩展［13-15］。

图10 出口管裂纹尖端能谱分析结果

3 下引线阀出口管失效原因

综合分析认为， 该出口管管段断裂的失效机制为腐蚀疲劳开裂，即硫氢化铵垢下点蚀+疲劳损伤+硫化物应力腐蚀开裂。裂纹起源于管内壁硫氢化铵点蚀坑， 并在疲劳损伤和硫化物应力腐蚀的作用下向外壁及轴向扩展， 直到穿透管壁发生泄漏。 导致该管段产生腐蚀疲劳开裂的主要原因是材料问题，即Mn 质量分数偏高、硬度偏高、轧制后没有进行有效的正火处理使金相组织为条带状的铁素体和珠光体等， 次要原因是出口管运行过程中存在振动，产生了振动疲劳。

4 结语

采用多种方法对下引线阀出口管失效原因进行了分析， 认为导致出口管管段产生腐蚀疲劳开裂的原因是材料问题和运行过程中存在的振动疲劳，建议采取以下措施解决出口管开裂泄漏问题，以保证加氢装置安全、稳定、长周期、满负荷运行，①严格控制A106B 材料的化学成分， 对材料要进行正火处理， 金相组织应为等轴的珠光体+ 铁素体，材料硬度应控制在200HB 以下。 ②查找阀门振动原因，对松动支吊架进行加固，工艺上尽量避免流体诱导振动。