劉文忠

(神華集團(tuán)鄂爾多斯煤制油分公司,內(nèi)蒙古 鄂爾多斯市 017209 )

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加氫原料油脫氯水洗線三通裂紋產(chǎn)生的原因及分析

劉文忠

(神華集團(tuán)鄂爾多斯煤制油分公司,內(nèi)蒙古 鄂爾多斯市 017209 )

原料油脫氯水洗線上一件304的不銹鋼三通發(fā)生了開裂，直接原因是腐蝕疲勞引起的開裂；材質(zhì)的Cr元素含量低，且金相組織異常，也是導(dǎo)致產(chǎn)生開裂的主要原因之一；另外介質(zhì)中氯離子質(zhì)量濃度高達(dá)600 mg/L也加劇了三通的開裂。對(duì)油品加氫裝置在原料油脫氯加工生產(chǎn)過(guò)程中應(yīng)注意的事項(xiàng)提出了建議，控制脫氯水中氯離子質(zhì)量濃度盡量小于150 mg/L，做好裝置停工期間管線、設(shè)備的氮封保護(hù)。在管件材料入庫(kù)檢驗(yàn)時(shí)應(yīng)對(duì)此類奧氏體不銹鋼管件抽檢化學(xué)成分和組織狀態(tài)，可采用半定量光譜法來(lái)復(fù)驗(yàn)合金元素含量。

三通 裂紋 疲勞斷裂 冷加工 殘余應(yīng)力 固溶處理

1 裝置概況

10805單元油品加氫裝置由中石化工程建設(shè)公司設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)加工能力為155.3 kt/a，加工費(fèi)托合成單元生產(chǎn)的輕質(zhì)餾分油、重質(zhì)餾分油和重質(zhì)蠟，裝置于2008年初動(dòng)工興建，2009年12月30日開車成功，由于裝置原料問(wèn)題于2010年5月停工技改；2013年下半年公司為了提高裝置利用率和整體效益，對(duì)10805單元進(jìn)行了簡(jiǎn)單技術(shù)改造，更換了10805-R103裂化反應(yīng)器催化劑，為煤液化裝置加工原料油，煤液化裝置原料油存在密度高、重金屬、氯離子、瀝青質(zhì)雜質(zhì)含量較高等問(wèn)題。

2014年4月23日下午17點(diǎn)左右，操作工在巡檢時(shí)發(fā)現(xiàn)裝置邊界處原料油脫氯水洗循環(huán)線漏油,拆保溫檢查,發(fā)現(xiàn)原料油脫氯水洗循環(huán)線三通

本體有一道裂紋。油脫氯水洗循環(huán)系統(tǒng)停工，更換開裂損壞的等徑三通φ89 mm×4.0 mm一件,材質(zhì)為0Cr18Ni9Ti。

2 造成三通損壞的原因分析

損壞的三通材質(zhì)為0Cr18Ni9(SH3408—96)，規(guī)格為φ89 mm×4.0 mm。三通損壞估計(jì)有原料油介質(zhì)腐蝕，原料油重金屬雜質(zhì)含量高，氯含量高。另外一方面三通本身可能存在質(zhì)量缺陷。裝置的進(jìn)料量為:25 t/h，管線操作壓力為0.6 MPa，操作溫度為60～70 ℃，介質(zhì)為酸性水。對(duì)油品加工單元加工原料油以來(lái)，原料油水洗過(guò)程中10805油品加工裝置SC-80515采樣點(diǎn)常規(guī)分析酸性水氯含量分析數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總，見(jiàn)表1。

表1 酸性水中氯含量分析數(shù)據(jù)匯總 mg/L

2.1 宏觀檢查

從該三通的內(nèi)部和外部宏觀檢查來(lái)看，均無(wú)明顯的點(diǎn)蝕或其他腐蝕減薄，裂紋在三通的接近正中間的部位，裂口較大，開口較寬，裂紋平直(見(jiàn)圖1)。

2.2 取樣說(shuō)明

三通的展開示意圖見(jiàn)圖2。取樣部位如圖中各標(biāo)識(shí)處，其中①到⑩為硬度測(cè)試部位，A為掃描電鏡和能譜分析的斷口部位，B,C和D為母材金相分析部位，E為裂紋尖端金相分析部位，化學(xué)成分分析則利用上述取樣部位剩下的余料中母材部位。

2.3 硬度測(cè)定

按圖2所示標(biāo)定位置進(jìn)行硬度測(cè)定，結(jié)果見(jiàn)表2；多數(shù)位置的硬度值均異常偏高，有些部位甚至超過(guò)HB300，一般來(lái)說(shuō)奧氏體不銹鋼出現(xiàn)這種情況說(shuō)明其組織存在異常，比如出現(xiàn)了硬而脆的馬氏體組織。

圖1 三通背面裂紋示意

圖2 取樣位置示意

位置編號(hào)硬度(HB)①258256269286255②237210219219237③270280270285270④271287273283277⑤272286275272266⑥318295313309308⑦280279253272249⑧198194227218197⑨297270307278299⑩299279301304284

2.4 化學(xué)成分分析

按照SH3408-96中引用0Cr18Ni9材料牌號(hào)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 14976—2012《流體輸送用不銹鋼無(wú)縫鋼管》的要求，對(duì)母材化學(xué)成分進(jìn)行分析，分析結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 三通母材化學(xué)成分測(cè)試結(jié)果 w,%

2.5 金相分析

按圖2所示位置分別在E位置處取樣，然后對(duì)裂紋處E部位取樣進(jìn)行金相分析，結(jié)果見(jiàn)圖3。可以看出大部分組織均非正常的固溶態(tài)奧氏體組織，而管子軋制拉拔的痕跡比較明顯，裂紋開裂的方向與軋制方向一致。從圖中還觀察到一部分馬氏體組織，可見(jiàn)大量的馬氏體組織，這些馬氏體是管子軋制過(guò)程中材料變形產(chǎn)生的形變馬氏體，強(qiáng)度高而韌性低，且耐腐蝕能力較弱，這些用磁鐵吸附均產(chǎn)生明顯的磁化反應(yīng)，證明已非純奧氏體相態(tài)，硬度檢測(cè)結(jié)果遠(yuǎn)高于正常的奧氏體不銹鋼，這與材料中存在馬氏體組織是相吻合的。

圖3 E處金相組織(一)

2.6 掃描電鏡及能譜分析

按圖2所示位置分別在A位置處取樣，然后進(jìn)行掃描電鏡和能譜分析。掃描電鏡結(jié)果見(jiàn)圖4。裂紋斷口多呈典型的準(zhǔn)解理特征，部位位置可見(jiàn)韌窩，放大至高倍后可見(jiàn)明顯的疲勞輝紋。裂紋斷口A處能譜分析結(jié)果見(jiàn)表4，可見(jiàn)斷口有S和O等腐蝕性元素。

圖4 斷口掃描電鏡結(jié)果(三)

元素w,%x,%O20.9738.19Na03.1804.04Al18.5520.03Si07.9808.27S01.9201.74Ca13.6109.89Cr07.4004.15Fe23.3812.20Ni03.0101.49

2.7 三通失效原因分析

按照SH3408—2012《石油化工鋼制對(duì)焊管件》標(biāo)準(zhǔn)的要求，該0Cr18Ni9不銹鋼三通無(wú)論是采用冷成型還是熱成型，必須在成型后進(jìn)行固溶熱處理，然后酸洗鈍化；而金相分析發(fā)現(xiàn)該三通材料并非正常的固溶態(tài)奧氏體不銹鋼組織，軋制的痕跡非常明顯，且材料中存在馬氏體組織，雖然能提高奧氏體不銹鋼的強(qiáng)度，但不僅使材料的耐腐蝕性降低，還降低了材料的韌性，導(dǎo)致抗裂紋擴(kuò)展的能力下降。

通過(guò)化學(xué)分析發(fā)現(xiàn)該三通Cr含量低于標(biāo)準(zhǔn)要求，而Cr元素是奧氏體不銹鋼形成表面鈍化膜，防止介質(zhì)腐蝕的主要元素，Cr含量降低顯然不利于材料的耐腐蝕能力。管道中的介質(zhì)為酸性

水，氯離子含量高，其腐蝕性比較強(qiáng)，非奧氏體相部位率先遭受腐蝕形成局部腐蝕凹槽，產(chǎn)生應(yīng)力集中[3]，且介質(zhì)流動(dòng)作用下該管道三通部位可能承受疲勞載荷或發(fā)生振動(dòng)，在腐蝕和疲勞的交互作用下，該三通發(fā)生快速開裂失效。

3 結(jié)論及建議

該三通發(fā)生失效的直接原因是腐蝕疲勞引起的開裂，但材質(zhì)的Cr元素含量低，且金相組織異常，尤其是含有馬氏體組織，是產(chǎn)生開裂的主要原因之一；如果三通在成型后按要求進(jìn)行徹底的固溶熱處理，以消除三通軋制過(guò)程中產(chǎn)生的形變馬氏體，則材料應(yīng)具有較好的耐腐蝕性，即使有一定的疲勞載荷或振動(dòng)也不會(huì)如此快速開裂失效。

(1)加強(qiáng)對(duì)管道振動(dòng)的檢查，如果管道振動(dòng)明顯，即使材質(zhì)沒(méi)有問(wèn)題，在管線運(yùn)行一段的時(shí)間后也可能發(fā)生疲勞開裂，建議對(duì)該管線尤其是三通部位進(jìn)行振動(dòng)測(cè)試和分析，如果確實(shí)振動(dòng)較明顯，可通過(guò)增加支撐或阻尼的方式來(lái)減緩或消除振動(dòng)，徹底解決管道三通開裂的隱患問(wèn)題。

(2)建議在材料入庫(kù)檢驗(yàn)時(shí)對(duì)此類奧氏體不銹鋼管件抽檢化學(xué)成分和組織狀態(tài)，化學(xué)成分的復(fù)驗(yàn)可采用半定量光譜法，主要復(fù)驗(yàn)合金元素含量。對(duì)于重要的管件可以采用金相分析方法進(jìn)行組織狀態(tài)復(fù)驗(yàn)，一般性管件或者大批量復(fù)驗(yàn)時(shí)可采用永磁鐵等磁性物體磁化吸附的方式進(jìn)行快速篩查，對(duì)有疑問(wèn)的管件再進(jìn)行進(jìn)一步的金相分析復(fù)驗(yàn)，防止此類問(wèn)題的發(fā)生。

(3)生產(chǎn)操作上要控制脫氯水中的氯離子含量，盡量將脫氯水中氯離子含量控制在一定范圍，定期補(bǔ)充新鮮除鹽水降低脫氯水中的氯離子含量，加強(qiáng)裝置巡回檢查及時(shí)發(fā)現(xiàn)管線振動(dòng)及泄漏隱患，裝置停工期間對(duì)管線進(jìn)行氮封保護(hù)。

[1] 楊啟明，呂瑞典.工業(yè)設(shè)備腐蝕與防護(hù)1版[M].北京：石油工業(yè)出版社，2001：125-126.

(編輯 王菁輝)

Causes of Crackings on Tees on Water Washing Lines of Hydrotreater Feed Oil Dechlorination Unit

LiuWenzhong

(ShenhuaERDOSCoalToLiquidCompany,Ordos017209，China)

A 304 stainless steel tee on the water washing pipeline of feed oil dechlorination suffered from crackings,which are caused by the corrosion fatigue.The lower Cr in the material abnormal metallographic structure is the main factor leading to cracking.In addition,the chlorine ions in the media which is as high as 600 mg/L also aggravates the cracking of tee.The prevention measures have been recommended such as control of chlorine ions in the dechlorined water to less than 150 mg/L and good nitrogen protection of pipelines and equipment during unit shutdown,etc.The austenitic stainless steel of pipe fittings should be tested and inspected for chemical compositions and structure when they are stored in the warehouse.The content of alloy elements can be tested by spectrum.

tee,cracking,fatigue cracking,cold processing,residue stress,solution treatment

2015-11-03；修改稿收到日期：2015-12-06。

劉文忠(1968-)，工程師，本科，從事設(shè)備管理工作。E-mail：liuwenzhong@csclc.com