譚帥,柴保群

(中國石油化工股份有限公司洛陽分公司,河南 洛陽 471012)

某石化公司2.6 Mt/a柴油加氫精制裝置于2010年10月16日一次開車成功。2022年11月13日,反應(yīng)器R3401頂部床層差壓變送器PDI4219三閥組平衡閥閥體連接螺紋根部發(fā)生斷裂,造成反應(yīng)系統(tǒng)油氣從閥體脫落的安裝孔處泄漏,嚴(yán)重影響裝置的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

1 現(xiàn)場情況及閥體外觀

經(jīng)查找相關(guān)原始資料,該平衡閥于2010年10月投用,閥體材料為304不銹鋼,累計(jì)運(yùn)行時(shí)間超過12年。介質(zhì)為氫氣(混合氫)+油氣混合物,溫度338 ℃、壓力7.3 MPa,介質(zhì)中含有一定量的硫化氫。

該平衡閥閥體結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。斷裂的部位為連接螺紋根部,是構(gòu)件外形突然變化或容易應(yīng)力集中的地方,斷裂截面壁厚約1.5 mm。三閥組平衡閥外觀如圖2所示,斷裂部位外觀如圖3所示。

圖1 平衡閥閥體連接螺紋結(jié)構(gòu)

圖2 三閥組平衡閥外觀結(jié)構(gòu)

圖3 閥體斷裂部位外觀

將平衡閥拆卸開進(jìn)行宏觀檢查,僅分析閥體開裂部分,如圖4所示。由圖4可見斷口表面存在較多雜質(zhì),螺紋絲扣局部扭曲變形,閥體未見明顯腐蝕或減薄;斷口呈金屬光澤且表面粗糙,存在放射花樣,斷裂開始于圖4(a)右下角內(nèi)側(cè)較為平坦的部位,沿圖4(a)逆時(shí)針方向外撕裂,最終在圖4(a)正下方變形部位處斷裂。

圖4 閥體斷口宏觀形貌

2 檢測分析

經(jīng)查閱文獻(xiàn)[1],某石化煉油廠新焦化穩(wěn)定塔流量變送器三閥組平衡閥在使用過程中發(fā)生的斷裂與該文中平衡閥斷裂位置相似,可作參考。

2.1 材質(zhì)分析

為進(jìn)一步分析閥體斷裂的原因,對(duì)閥體取樣進(jìn)行化學(xué)成分分析,分析結(jié)果見表1所列。從表1 可以看出,閥體成分中P含量偏高,而Cr含量偏低,不符合GB/T 20878—2007《不銹鋼和耐熱鋼牌號(hào)及化學(xué)成分》的要求,其鋼成分偏差值亦不符合GB/T 222—2006《鋼的成品化學(xué)成分 允許偏差》的要求。

表1 閥體材質(zhì)分析測試結(jié)果

2.2 金相分析

取閥體斷裂下來的螺紋部分在顯微鏡下進(jìn)行金相分析,斷口橫截面位置附近金相組織如圖5所示。從圖5可以看出,裂紋呈沿晶開裂,其金相組織主要為奧氏體,奧氏體晶界處有較多的碳化物析出。從圖5(b)可以看出,金屬的組織結(jié)構(gòu)不均勻,部分碳化物連成線狀,具有方向性。圖5(c)和(d)顯示,奧氏體晶界處的碳化物較多,部分區(qū)域晶界明顯變寬,并連成網(wǎng)狀。

圖5 斷口附近金相組織形貌

圖6為遠(yuǎn)離斷口部位閥體橫截面上的金相組織形貌。從圖6可見,該區(qū)域存在條帶狀的碳化物組織,金相組織不均,部分區(qū)域碳化物較為集中且呈線狀。

圖6 遠(yuǎn)離斷口處金相組織形貌

2.3 硬度分析

取金相試樣對(duì)閥體橫截面(金屬內(nèi)部)進(jìn)行硬度分析,硬度值見表2。從表2可知,閥體金屬硬度值顯著高于標(biāo)準(zhǔn)要求。

表2 閥體硬度分析測試結(jié)果

為了進(jìn)一步確認(rèn)閥體材料硬度,對(duì)閥體六棱面處進(jìn)行了硬度檢測分析,其硬度值見表3。從表3可以看出,閥體外表面硬度值也顯著高于GB/T 24511—2017標(biāo)準(zhǔn)要求。

表3 閥體硬度分析測試結(jié)果

2.4 能譜分析

對(duì)斷口表面進(jìn)行能譜分析。經(jīng)超聲波酒精清洗后的試樣能譜分析結(jié)果見表4。從表4可知,能譜分析處斷口表面存在大量的硫化物和氧化物,未發(fā)現(xiàn)Cl-存在。

表4 酒精清洗后試樣能譜分析

繼續(xù)使用硝酸酒精溶液對(duì)斷口表面進(jìn)行超聲波清洗,清洗后試樣的能譜分析結(jié)果見表5。由表5可知,使用4%硝酸酒精溶液超聲波清洗后未發(fā)現(xiàn)S元素。

表5 硝酸酒精清洗后試樣能譜分析結(jié)果

2.5 電鏡分析

斷口經(jīng)硝酸酒精清洗后進(jìn)行掃描電鏡掃查,其斷口形貌如圖7所示。從斷口掃描電鏡形貌分析,斷口呈冰糖塊狀脆性特征,呈沿晶開裂,部分區(qū)域沿晶界面存在微裂紋。

圖7 電鏡斷口形貌

3 失效原因探討

檢測分析結(jié)果表明:宏觀檢查發(fā)現(xiàn)斷裂部位開始于閥體內(nèi)表面,金相分析可知開裂部位僅有一條主裂紋;掃描電鏡結(jié)果證實(shí)為沿晶開裂,同時(shí)斷口表面能譜分析未發(fā)現(xiàn)Cl離子存在,且裂紋呈沿晶開裂特征。由此可排除由于雨水侵入或介質(zhì)中存在Cl離子發(fā)生氯化物應(yīng)力腐蝕開裂的可能。

進(jìn)一步觀察分析可知:斷口的金相分析表明裂紋形貌屬于沿晶斷裂,金屬的金相組織不均勻,存在條帶狀碳化物,條帶狀的碳化物組織在應(yīng)力的作用下容易形成裂紋源;裂紋附近的金相分析可見,奧氏體晶界處析出的碳化物較多,部分區(qū)域晶界明顯變寬,并連成網(wǎng)狀,考慮可能存在晶界腐蝕。

閥體所用材料為304不銹鋼,在材質(zhì)分析時(shí)發(fā)現(xiàn)材料中的P含量偏高,高出標(biāo)準(zhǔn)值較多,而P元素含量偏高,會(huì)增加金屬材料的脆性,降低材料的塑性,同時(shí)會(huì)提高金屬的硬度。為了進(jìn)一步驗(yàn)證金屬的硬度值是否符合標(biāo)準(zhǔn)要求,對(duì)該閥體橫截面內(nèi)表面和閥體外表面均進(jìn)行了硬度檢測,試驗(yàn)測得的硬度值均顯著高于標(biāo)準(zhǔn)要求。金屬的硬度值偏高,往往導(dǎo)致材料的塑性降低,使材料容易發(fā)生脆性斷裂。從斷口的宏觀形貌分析,斷口大部分區(qū)域未見明顯變形,屬于脆性斷裂;掃描電鏡的分析結(jié)果驗(yàn)證屬于脆性沿晶斷裂,部分區(qū)域沿晶界面存在微裂紋。

目前,較好的螺紋加工方式為滾壓式螺紋加工,無退刀槽,可確保螺紋強(qiáng)度更高,閥座有效壁厚更優(yōu),缺陷少,無應(yīng)力薄弱點(diǎn)。而咨詢?nèi)y組生產(chǎn)廠家,該平衡閥螺紋結(jié)構(gòu)加工方式為車削加工,有退刀槽,易造成缺陷、損傷,形成潛在的應(yīng)力薄弱點(diǎn),長期在含硫、氫等環(huán)境下運(yùn)行,應(yīng)力積聚,裂紋逐漸擴(kuò)展,強(qiáng)度降到一定程度后裂紋迅速擴(kuò)展,最終造成閥體連接螺紋處斷裂。實(shí)際上,斷裂部位在螺紋根部,是結(jié)構(gòu)不連續(xù)的部位,且是閥體壁厚尺寸最小的部位,內(nèi)外表面斷裂截面厚度僅 1.5 mm,并且斷裂截面處有溝槽,溝槽的轉(zhuǎn)角半徑不足 0.3 mm,該部位應(yīng)力集中程度最高。

受限于閥體尺寸較小等原因,材料的沖擊韌性試驗(yàn)和抗拉試驗(yàn)尚未開展,材料的力學(xué)性能還有待進(jìn)一步驗(yàn)證。

4 結(jié)論及建議

4.1 結(jié) 論

(1)閥體材料不符合標(biāo)準(zhǔn)要求,材料中P元素偏高,而Cr含量偏低。P元素偏高會(huì)導(dǎo)致材料塑性下降,脆性增加;材料的硬度值明顯高于標(biāo)準(zhǔn)要求,硬度值偏高是材料脆性增加的表征,脆性較高,更容易發(fā)生開裂。

(2)閥體斷裂部位應(yīng)力集中程度較高,使得該部位處于較高的應(yīng)力水平。同時(shí)閥體材料組織結(jié)構(gòu)不均,存在條帶狀的碳化物組織,而條帶狀的碳化物組織往往較容易形成裂紋源。

(3)開裂部位存在晶界變寬情況,存在晶間腐蝕,在晶間腐蝕作用下,該部位易發(fā)生晶間應(yīng)力腐蝕開裂;同時(shí)閥體材料不符合標(biāo)準(zhǔn)要求,組織中存在條帶狀碳化物,進(jìn)一步加速開裂的發(fā)生。

4.2 建議防護(hù)策略

(1)對(duì)同批次變送器的三閥組、二閥組進(jìn)行全面梳理排查,提報(bào)計(jì)劃,待配件到貨驗(yàn)收合格后,逐臺(tái)對(duì)同批次三閥組進(jìn)行更換。

(2)在進(jìn)行打壓及零點(diǎn)漂移校驗(yàn)等檢維修作業(yè)時(shí),使用定力矩扳手緊固,避免使薄弱截面的應(yīng)力超過平衡閥的承載能力。

(3)與生產(chǎn)廠家對(duì)接,優(yōu)化改進(jìn)三閥組閥體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案,且在物資采購時(shí),要求供應(yīng)商嚴(yán)格執(zhí)行相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。

(4)該類型差壓變送器在石油石化行業(yè)應(yīng)用廣泛,維保單位及管理單位對(duì)此類問題應(yīng)充分認(rèn)識(shí),引起重視,后續(xù)要在儀表選型、物資采購、質(zhì)量驗(yàn)收、檢維修管理以及操作培訓(xùn)等多方面加強(qiáng)管理,杜絕此類問題發(fā)生。