秦春秋,王家純

(中國石化中原石油化工有限責任公司,河南 濮陽 457001)

某公司MTO 裝置反應再生系統(tǒng)采用循環(huán)流化床反應再生技術。反應器系統(tǒng)由反應器下部的快速流化床、上部的沉降床以及輔助的循環(huán)斜管和外取熱器系統(tǒng)等組成。甲醇轉化反應器C1101是反應器系統(tǒng)的核心設備,其下部快速流化床完成MTO 反應,上部沉降床為湍動流化床,實現(xiàn)產(chǎn)品氣和催化劑的分離。

C1101反應器設計溫度520 ℃,工作溫度480 ℃,設計壓力0.35 MPa(表),工作壓力0.15 MPa(表);總高46 500 mm,沉降床直徑8 200 mm。反應器采用熱壁設計,材質(zhì)為347H 奧氏體不銹鋼,內(nèi)器壁焊接龜甲網(wǎng),澆注25 mm 的耐磨層,外器壁采用200 mm 厚硅酸鋁棉隔熱保溫,屬于第二類壓力容器。

2017年9月巡檢發(fā)現(xiàn),反應器頂封頭保溫鋁外皮呈燒焦狀糊黑色,拆除保溫層后可觀測到封頭環(huán)焊縫熔合線處有一長度約為250 mm、寬度為1～2 mm 的貫穿性裂紋(1號裂紋)。2018年5月MTO 裝置停車大檢修期間,對反應器進行全面檢驗時,在1 號裂紋附近又發(fā)現(xiàn)1 條長度約為300 mm、深度為18～20 mm 的裂紋(2號裂紋)。為確保反應器安全運行,公司委托專業(yè)檢驗單位對2 號裂紋取樣進行了失效機理分析。

1 裂紋產(chǎn)生機理分析

1.1 裂紋宏觀分析

1號和2號裂紋均位于反應器頂部橢球形封頭西側球殼H0環(huán)焊縫處,相距不到300 mm,如圖1所示。H0 環(huán)焊縫位于集氣室內(nèi),距集氣室立板角焊縫約100 mm。兩裂紋均位于焊縫的熔合線附近,2號裂紋樣品實際檢測長度330 mm,自內(nèi)向外,最大深度23 mm,未形成穿透性裂紋(見圖2);開裂部位內(nèi)壁焊縫成形不良,局部存在明顯的錯邊(2～3 mm)。1號裂紋和2號裂紋位置相距很近,均啟裂于焊縫熔合線附近,裂紋開裂均呈單向延伸,目測無分支裂紋,基本可以認為兩裂紋開裂機理和過程大致相同。

圖1 頂封頭焊接排板

圖2 2號裂紋外觀

1.2 運行環(huán)境分析

該反應器2011年10月投產(chǎn)使用,至裂紋故障產(chǎn)生時運行近7年。期間停車檢修4次,分別為投運后第2年、第3年、第5年和第7年。其中第3年對該反應器進行了壓力容器的全面檢驗,沒有檢驗出缺陷,安全等級為一級。

反應器頂部橢球形封頭處內(nèi)部操作壓力0.15 MPa(表),操作溫度480℃,介質(zhì)為攜帶少量固體催化劑的產(chǎn)品氣,集氣室內(nèi)產(chǎn)品氣有一定的流速,但H0環(huán)焊縫處于產(chǎn)品氣流經(jīng)路線的滯留區(qū)中,流速較小。封頭內(nèi)球殼壁布置有龜甲網(wǎng)耐磨襯里,厚度25 mm。從使用情況來看,封頭內(nèi)球殼壁襯里狀態(tài)完好,無損壞。反應器封頭球殼外壁設有400 mm 厚的硅酸鋁棉保溫層,蒙皮是0.7 mm保護鋁皮。在裂紋產(chǎn)生位置,鋁皮保護層片間密封不嚴,有變形、張口和翹曲。反應器頂部操作平臺由工字不銹鋼支腿支撐,座落在橢球形封頭上,支腿和保護層鋁皮間有縫隙,無密封措施。

頂封頭殼體是受力狀況最為復雜的反應器承壓部件。在反應器運行期間,頂部球殼既受到內(nèi)壓和高溫下溫差應力的作用,又受到和集氣室相連的一級、二級旋風分離器及其料腿、翼閥重力的作用,同時還受到頂部產(chǎn)品氣管線附加應力的影響;停車時,反應器內(nèi)、外部狀況等同于大氣環(huán)境,封頭球殼僅受到和集氣室相連的一級、二級旋風分離器及其料腿、翼閥重力的作用。

產(chǎn)品氣的組成如表1所示。

表1 反應器出口產(chǎn)品氣組分

一般情況下,由于反應器內(nèi)壁耐磨襯里的阻擋作用,工藝介質(zhì)產(chǎn)品氣和347H 不銹鋼金屬器壁并不直接接觸,因此高溫產(chǎn)品氣的特性對347H 影響很小。即使出現(xiàn)龜甲網(wǎng)和襯里料分離的情況,導致產(chǎn)品氣和器壁直接接觸,對不銹鋼器壁的影響也是有限的。從表1可以看出:產(chǎn)品氣組分主要是C6以下有機氣體,不會產(chǎn)生應力腐蝕;能產(chǎn)生氫腐蝕的氫含量少,根據(jù)納爾遜曲線及1Cr19Ni11Nb的當量鉻-鉬含量可知,在氫分壓0.018 MPa、溫度480 ℃以下,347H 奧氏體不銹鋼是不會發(fā)生高溫氫腐蝕和氫脆的。

1.3 反應器封頭應力分析論證

設計單位對反應器頂部橢球形封頭應力分布進行了設計溫度下的計算機模擬應力分析,指出熱應力是在有溫差存在的條件下產(chǎn)生的。而甲醇轉化反應器是熱壁設計,溫差很小。按照最大溫差50℃進行了封頭應力分析,膜＋彎應力分布如圖3所示。

圖3 封頭整體模型在內(nèi)壓和溫度載荷作用下的 膜+彎應力分布云圖

由圖3可以看出:封頭整體模型在內(nèi)壓和溫度載荷作用下,應力值較高處位于出口管線開口處與封頭和筒體的相交處,從幾何形狀來看,曲率較大的部位應力水平較高。經(jīng)過論證,設計溫度520℃、溫差50℃時,封頭受到的膜＋彎應力值和限定值相差較遠,設計裕量較大,運行是安全的。

由圖3還可以看出,在裂紋發(fā)生的焊道圓周上,應力水平最低,設計時將橢球形封頭球殼組對H0焊縫置于此處,有效避免了因設計應力和焊接應力疊加而可能產(chǎn)生的局部應力峰值,也有助于吸收中心開孔處與封頭和筒體處應力產(chǎn)生的應變。

1.4 2號裂紋樣品檢驗

1.4.1 器壁材質(zhì)化學成分

2號裂紋取樣焊縫和母材化學成分分析結果見表2。從表2可以看出,封頭母材化學成分滿足相關標準要求,焊縫金屬的磷含量略偏高。

表2 取樣部位化學成分分析結果(質(zhì)量分數(shù)) %

1.4.2 鐵素體含量測定

鐵素體測定結果見表3。從表3可以看出,母材和焊材鐵素體含量正常,無明顯冷作硬化現(xiàn)象。

表3 鐵素體測定結果(質(zhì)量分數(shù)) %

1.4.3 樣品硬度測試

硬度測試部位及結果見圖4。從圖4可以看出,焊縫金屬硬度偏高,最高達288.4 HV,母材和焊縫熱影響區(qū)硬度基本正常。

圖4 硬度測試部位及結果

1.4.4 金相分析

裂紋截面見圖5。裂紋啟裂部位見圖6(a)～圖6(b)。

圖5 裂紋截面

由圖5和圖6可見,裂紋由焊縫下部母材的熔合線處啟裂,沿焊縫熔合線或熱影響區(qū)擴展,呈 典型的沿晶開裂特征。裂紋深度約12.5 mm。

圖6 裂紋啟裂部位

圖7 為電子金相試樣及裂紋微觀形貌。由圖7 可見,裂紋內(nèi)充滿腐蝕產(chǎn)物。

圖7 金相試樣及裂紋微觀形貌(電子)

對焊縫金屬,上、下焊縫熱影響區(qū)及母材進行金相組織觀測發(fā)現(xiàn),焊縫金屬為奧氏體＋δ鐵素體,焊縫熱影響區(qū)及母材均有嚴重的碳化物析出現(xiàn)象,如圖8所示。

圖8 金相試樣

1.4.5 斷口分析

取250 mm 長裂紋打開進行斷口分析,見圖9 和圖10。

圖9 斷口打開部位及形貌

圖10 斷口Ⅰ局部宏觀形貌

由圖9可見,斷口上存在從內(nèi)壁啟裂呈半橢圓形的陳舊性斷面,裂紋未穿透壁厚,最深部位約為25 mm,距外壁僅約1 mm。通過對斷口Ⅰ側面進行檢查,分析裂紋宏觀擴展路徑,發(fā)現(xiàn)“A”區(qū)域斷裂基本沿焊縫熱影響區(qū)擴展,“B”區(qū)域則在焊縫內(nèi)外坡口交界處進入焊縫金屬,見圖10。

將斷口Ⅰ進行清洗后進行微觀觀測,見圖11。由于斷口在高溫環(huán)境下長時間停留,導致斷口表面形成致密且附著力強的氧化腐蝕產(chǎn)物,使得斷口原始形貌被掩蓋,但基本可以判斷出斷口主要具有沿晶斷裂特征。

圖11 端口微觀形貌

1.4.6 X射線能譜分析

用X 射線能譜儀對斷口焊縫金相進行能譜分析,結果顯示:斷口表面的腐蝕產(chǎn)物主要為氧化物;焊縫熱影響區(qū)和母材均有較嚴重的碳化物析出現(xiàn)象。其中,斷口表面和裂紋間隙的腐蝕性元素主要為氧,焊縫熱影響區(qū)晶界上有大量碳化鈮析出,且存在含鈮金屬間脆性相。

2 綜合分析

從2號裂紋樣品檢驗結論可知:焊縫金屬的硬度偏高;熱影響區(qū)和母材的硬度基本正常;裂紋從內(nèi)壁啟裂呈半橢圓形,沿焊縫的熔合線和熱影響區(qū)擴展,斷口具有典型沿晶斷裂特征;斷口表面和裂紋縫隙附著腐蝕產(chǎn)物,腐蝕性元素主要為氧,焊縫熱影響區(qū)晶界上有大量碳化鈮析出,且存在含鈮金屬間脆性相。

300系列奧氏體不銹鋼的大量斷裂研究表明,高溫下焊接裂紋發(fā)生沿晶斷裂的情況有兩種,一種是熱裂紋和再熱裂紋,另一種是厚度＞25 mm奧氏體不銹鋼在長期高溫(450～650 ℃)工況下運行產(chǎn)生的應力松弛裂紋。熱裂紋是在焊接冶金過程中由于焊縫金屬收縮而產(chǎn)生的,可能存在于焊縫金屬的表面,也可能存在于焊縫金屬的內(nèi)部;再熱裂紋是焊縫在進行穩(wěn)定化或固溶熱處理時,由于冷卻過程中溫度控制不好而產(chǎn)生的。

本案例中,反應器在焊后并未進行焊后穩(wěn)定化處理或固溶處理,因此不會產(chǎn)生再熱裂紋。但由于347 H 的碳含量較高,所以存在產(chǎn)生熱裂紋的可能性。在反應器頂封頭裂紋分析和修復過程中,專門對封頭H0環(huán)縫原始RT(射線檢測)底片進行了復查,同時還對H0環(huán)焊縫和其他一些存在應力集中部位的焊縫進行了RT 檢驗。復查和檢驗沒有發(fā)現(xiàn)超標缺陷。由此可以基本判定,制造焊接質(zhì)量是合格的,由于熱裂紋擴展而導致2號裂紋形成的推斷不成立。

而由于應力松弛造成2號裂紋形成與擴展的可能性極大。一是因為該反應器屬于熱壁設計反應器,設計溫度520 ℃、操作溫度480 ℃、操作壓力0.15 MPa(表),處于奧氏體不銹鋼高溫蠕變范圍之內(nèi);二是該反應器已連續(xù)運行6年以上,運行時間較長;三是2號裂紋處封頭組對存在較大錯邊(2～3 mm),焊縫焊接后未進行消除應力的穩(wěn)定化處理,且焊縫金屬磷含量略高于標準要求,硬度亦高于正常值,存在組對焊接應力;四是從焊縫金屬和熱影響區(qū)的金相組織結構、斷口分析、X 射線能譜分析可以看出,熱影響區(qū)和母材晶界有嚴重碳化物析出,裂紋呈典型的沿晶開裂特征。說明在高溫工況條件長期運行后,析出的碳化物在晶界形成了連續(xù)的脆性相,導致晶界強度大幅削弱,從而導致持久強度的明顯下降,加速了蠕變空洞的沿晶形成【1】。

盡管高溫蠕變會造成應力松弛,但347 H 奧氏體不銹鋼的高溫強度還是很優(yōu)異的。而產(chǎn)生蠕變空洞或裂紋的前提條件是裂紋處的應力或瞬時應力大于該處長期高溫運行后的材料屈服極限。從反應器頂部封頭開裂環(huán)焊縫,封頭和筒體對接焊縫,下部錐體、裝卸孔應力集中處焊縫的PT(滲透檢測)和RT 情況來看,普遍沒有發(fā)現(xiàn)其他較深裂紋或埋藏裂紋,且封頭裂紋環(huán)焊縫處設計條件下膜＋彎應力水平也是比較低的,因此,裂紋在此處產(chǎn)生,除了組對焊接應力和長期高溫運行造成應力松弛外,一定還存在其他原因。

從應力的構成來看,主要有反應器內(nèi)壓產(chǎn)生的應力和器壁內(nèi)外溫差產(chǎn)生的應力。反應器是按薄壁容器進行設計的,在內(nèi)壓作用下,內(nèi)、外壁應力差別應不大。從圖3可以看出,在裂紋發(fā)生的焊道圓周上,應力水平最低。因此由于工況和結構設計造成應力集中的可能性極低。值得懷疑的就是溫差應力。圖3是在溫差50 ℃的條件下得出的,是滿足安全使用要求的。但是從封頭外部保溫的實際情況可以看出:頂封頭保溫鋁質(zhì)蒙皮為條梯形、呈輻射狀分布,裂紋產(chǎn)生部位附近的鋁蒙皮有明顯損傷變形,且搭接處張口較大;頂部平臺的立柱支撐處,蒙皮與立柱間沒有密封措施;同時,頂封頭處于整個反再區(qū)平臺的最高處,無任何風雨阻擋措施,在有瞬時疾風暴雨侵襲時,該處必然會灌進雨水。由于硅酸鋁保溫棉吸水性強,被浸濕的保溫棉必然會猛烈降低橢球形球殼裂紋附近的外壁溫度,而過低的外球殼壁溫度和極高的內(nèi)球殼壁溫度必然會造成短期較大的溫差應力。由于該處應力水平最低,在短期高溫差應力和長期高溫蠕變效應作用下,會造成裂紋處器壁失穩(wěn),向內(nèi)部鼓出,使得該處峰值應力接近甚至高于高溫蠕變極限,從而使該部位內(nèi)壁萌生出裂紋。裂紋的產(chǎn)生加劇了局部應力集中程度,導致裂紋不斷擴展,最終貫穿整個橢球形封頭焊縫器壁,形成泄漏。

3 結語

1)1號和2號裂紋均是從橢球形封頭H0環(huán)焊縫內(nèi)壁母材熔合線位置啟裂,并沿焊縫熔合線或熱影響區(qū)擴展,呈現(xiàn)出典型的沿晶開裂特征。2號裂紋的金相試樣和斷口微觀圖樣證實了裂紋的沿晶開裂特征。

2)裂紋焊縫熱影響區(qū)及母材均有嚴重的碳化物析出現(xiàn)象,析出的碳化物在晶界形成了連續(xù)的脆性相,導致晶界強度大幅削弱,從而導致持久強度的明顯下降,加速了蠕變空洞的沿晶形成。

3)347H 奧氏體不銹鋼的焊接特性和高溫特性是焊縫裂紋產(chǎn)生的內(nèi)在原因。該型不銹鋼在焊接時有熱裂紋和再熱裂紋傾向,會在焊縫金屬和熱影響區(qū)產(chǎn)生較大的收縮應力,而本文所述反應器焊接后并未進行穩(wěn)定化或固溶熱處理,因此焊縫中的焊接應力水平應處于較高狀態(tài)。另一方面,該型不銹鋼在480 ℃高溫下長期運行后會發(fā)生高溫蠕變,屈服極限逐漸降低,降低了材料抵抗應力集中的能力。

4)反應器內(nèi)壓和內(nèi)外壁正常溫差在H0 環(huán)焊縫處產(chǎn)生的膜＋彎應力水平很低,加上制造缺陷產(chǎn)生的應力(如裂紋處球殼板對接焊縫錯邊量較大產(chǎn)生的組對應力、347 H 不銹鋼板焊接殘余應力以及其他附加應力)并不比反應器其他部位(如封頭和筒體對接焊縫處、筒體中部錐體筒節(jié)焊縫處)高,因此裂紋焊縫處正常應力狀態(tài)不太可能產(chǎn)生過大的應力集中。

5)橢球形封頭的保溫缺陷是焊縫裂紋產(chǎn)生的誘因。暴雨侵襲時,保溫蒙皮開裂部位會瞬時灌進大量雨水,而硅酸鋁保溫棉吸水性強,必然會猛烈降低橢球形球殼裂紋附近的外壁溫度,使得該處短期產(chǎn)生較大的溫差應力。由于該處應力水平最低,在短期高溫差應力和長期高溫蠕變效應作用下,會造成裂紋處器壁失穩(wěn),向內(nèi)部鼓出,導致該部位內(nèi)壁萌生出裂紋,進而造成裂紋處應力集中。隨著峰值應力不斷接近高溫蠕變極限,裂紋不斷擴展,最終貫穿整個橢球形封頭焊縫器壁,形成泄漏。