加氢裂化装置导淋阀短接开裂原因分析

金聚慧,刘 波，呼立红，王新凯

(1.中国石油抚顺石化公司 辽宁 抚顺 113008;2.沈阳中科韦尔腐蚀控制技术有限公司 辽宁 沈阳 110180)



加氢裂化装置导淋阀短接开裂原因分析

金聚慧1,刘 波1，呼立红2，王新凯2

(1.中国石油抚顺石化公司 辽宁 抚顺 113008;2.沈阳中科韦尔腐蚀控制技术有限公司 辽宁 沈阳 110180)

某石化公司的加氢裂化装置导淋阀连接管(短接管)发生开裂。通过宏观观察、材质分析、金相检验、电镜观察和能谱分析等手段，对连接管开裂的原因进行了检测分析。结果表明，连接管开裂的主要原因是焊接质量问题，焊接组织中含有气孔等缺陷，同时出现了焊接冷裂纹；另外由于腐蚀性介质和焊接残余应力的作用，发生了硫化物应力腐蚀开裂作用。

加氢裂化 导淋阀短接 应力腐蚀开裂 冷裂纹

1 基本情况

某石化公司加氢裂化装置热高分减压罐至高中压罐之间导淋阀上部阀本体连接管(短接)发生断裂。该阀门生产采用美国ASME标准，为楔式闸阀，阀体及内件材质为合金钢，阀本体连接管线材质为P22(2.25Cr1Mo)，阀体为整体锻件，操作压力为15.0 MPa、操作温度250 ℃、介质生成油(尾油和柴油)。2011年10月检验合格， 2012年8月投产使用至2013年1月18日发现故障。检查保温伴热都正常。接管尺寸为φ27 mm×6 mm。 为了分析连接管发生断裂的原因，特进行了一系列的检测分析。

2 检测分析

2.1 宏观观察

宏观观察到断裂部分占管径近三分之二的区域，断裂区域近焊缝处于热影响区附近(见图1)。通过切割取样，部分断口见图2。在距离内表面约0.5 mm厚度位置，整个管线层状剥离，与内表面部分分开，从左侧剥离部分断面可以看出，放射性条纹的聚拢点，即裂纹源位于两条管线焊接的交界处，即靠近内表面端，裂纹逐步向外表面扩展，剥离的部位即是沿着原焊接部位整个环向开裂的。断口表面未见明显的腐蚀产物附着。

2.2 材质分析

表1所示为开裂的短接、未开裂短接的材质以及阀体的材质分析结果。从表1可以看出，三个样品的材质均符合标准化学成分的规定，材质合格。

图1 短接管宏观形貌

图2 断口宏观形貌

2.3 金相检验

短接纵截面(有焊肉)部分的金相组织检验结果(见图3)可见两条明显的粗大裂纹，两条均存在于焊缝中，未扩展到内表面或者外表面，两条裂纹之间已有小裂纹使之联通，从两条裂纹的存在位置进一步证明了裂纹的起裂位置位于材料内部。焊接局部并未焊透，同时在裂纹的下方能看见两个较大的气孔(见图4)。

表1 材质分析结果 w,%

图3 短接焊缝纵截面金相组织

图4 短接近外表面区域的组织

熔合不理想的组织(见图5)，图5可以说明焊接的部分区域存在焊接质量问题。裂纹附近区域，即焊缝热影响区的金相组织见图6。由图6可以看出其金相组织为铁素体和回火索氏体，组织较粗大。

图5 熔合线区域组织

图6 裂纹侧金相组织

焊缝组织见图7，主要为奥氏体和铁素体。母材金相组织见图8，主要为贝氏体和铁素体。

图7 焊缝组织

图8 母材组织

2.4 电镜观察

断口的微观形貌见图9，可见断裂形式主要为穿晶解理断裂。另断口表面有少量的腐蚀产物附着，并可见二次裂纹。

图9 断口微观形貌

2.5 能谱分析

表2所示为断口的断面上不同区域的表面能谱分析结果，可以看到除了金属的本体元素外，主要含有的成分一类为腐蚀相关元素，O和S，另一类为盐类介质元素。其中，断口表面硫元素含量较高。

表2 断口表面成分分析

3 分析与讨论

从短接及阀体的材质分析结果可以看出，材质符合标准成分规定，材质合格，因此可以排除材质不合格对断裂的影响。

从宏观的断口形貌可以看到起裂位置在焊接的两个母材的接触面上，即为焊接预留的接管的台阶上。金相纵截面的形貌可以看出，断裂是在焊缝及热影响区，并且沿着原焊接的两个母材接触的环面开裂并剥离的。从纵截面也可以看到，有明显未焊透的区域，焊缝与母材的交界位置存在气孔等缺陷，部分区域的焊缝熔合线位置熔合的也不完全，以上情况可充分说明阀本体接管的焊接存在质量问题，并且由于未焊透等缺陷，使接管内的介质可充分的沿着未焊透部位的缝隙与焊缝直接接触。

电镜观察到微观断口形貌，主要为脆性断裂，属穿晶解理断裂类型，并且有少量腐蚀产物，可见二次裂纹。从断口表面可以检测到含量相对比较高的硫元素，同时断裂位置为焊接位置，存在残余应力的影响，因此，可以推断断裂机理为硫化物引起的应力腐蚀开裂。在金相检验过程中，也观察到了焊缝内有未穿透的裂纹，这种裂纹存在于焊缝内，未与介质直接接触，因此这种裂纹不是应力腐蚀开裂引起的，而是焊接裂纹。

应力腐蚀开裂是工程材料中一种常见的材料损伤和失效模式，合金在机械力和环境因素的共同作用下引起材料的脆化，导致材料在无任何塑性预兆的情况下突然发生断裂，这种破坏称为应力腐蚀开裂(SCC)，通常SCC需要具备三个条件：

(1)特定的对应力腐蚀开裂敏感的组织结构条件；

(2)与材料相对应的介质环境组合；

(3)存在拉应力，拉应力越大，断裂所需要的时间越短，一般都不超过材料的屈服强度。

从以上的分析可以看出，阀门短接的断裂完全具备以上三个条件，首先焊缝组织主要是奥氏体组织，介质中含硫，并且由于焊接质量问题，导致介质可以与焊缝区域充分接触，具备了介质条件，同时存在焊接残余应力，因此使发生硫化物的穿晶应力腐蚀开裂(TGSCC)具备了条件。

由于母材及近焊缝组织属于一种淬硬组织，其组织稳定性及抗氧化性较好，但也具有一定的冷裂倾向和再热裂纹倾向。再热裂纹一般会在运行温度为500～700 ℃产生，可见阀门短接的运行并不在此温度区间内，因此在金相检查中观察到的焊缝及热影响区内的非起源于接管焊接台阶上的裂纹应为焊接冷裂纹。

产生冷裂纹的原因是淬硬的显微组织、氢的聚集和一定的焊接残余应力。焊缝及近焊缝区域易产生淬硬组织，是因为在碳、铬等合金元素的作用下，钢材的临界冷却速度降低，奥氏体的稳定性增加，在一般的焊接冷却速度下，不易发生正常的珠光体转变，从而冷却到较低温度时发生了马氏体转变。在粗晶区域，其冷裂的敏感性更大，在裂纹一侧即符合这一描述。氢是造成冷裂纹的重要因素，氢的来源主要是焊接材料及坡口表面带入熔池的水分和油污等。氢在奥氏体的溶解度比在铁素体要大得多，当焊缝金属已经转变成珠光体，而热影响区还在奥氏体时，氢则从焊缝向热影响区扩散。同时，氢在铁素体的扩散速度很快，在奥氏体扩散较困难，因此，扩散到热影响区的氢就聚集在离熔合区不远的奥氏体组织里，使熔合区附近的部分熔化区形成了较强的冷裂倾向。焊接残余应力的来源一是焊接接头内部存在的应力，包括由于焊接时热量分布不均匀造成的温度应力和由于相变形成的组织应力；二是外部应力，包括刚性约束条件、焊接结构的自重、工作负荷等引起的应力，因此导致局部地区产生塑性变形，所以残余应力总是存在的。特别是当焊缝中有未熔合、未焊透等缺陷时，就会在局部造成较大的应力集中，导致冷裂纹的产生。

4 结 论

(1)阀门短接的材质合格，断裂失效与材质无关；

(2)短接断裂的主要原因为硫化物应力腐蚀开裂，焊缝及近焊缝区域内部可见的未穿透裂纹为焊接冷裂纹；

(3)产生应力腐蚀开裂及焊接冷裂纹的主要原因是由于焊接质量问题，即焊缝存在未焊透和内部气孔等焊接缺陷。

(编辑 王菁辉)

Cause Analysis of Cracking of Draining-valve Short Connector in Hydrocracking Unit

JinJuhui1,LiuBo1,HuLihong2,WangXinkai2

(PetroChinaFushunPetrochemicalCompany,Fushun113008，China;ShenyangZKwellCorrosionControlTechnologyCo.,Ltd.,Shenyang110180,China)

The cracking occurred in the draining-valve short connector in the hydrocracker. The causes of cracking are analyzed by macro observation, material analysis, metallographic testing, SEM observation and energy spectrum analysis. The results show that the main cause of cracking of connection pipe is the poor welding quality. The welds have defects like air pores and cracks as well as cold cracking. In addition, the corrosive media and residue stress of welding have accelerated sulfur stress corrosion cracking.

hydrocracking, draining-valve short connector, stress corrosion cracking, cold cracking

2016-05-21；修改稿收到日期：2016-06-28。

金聚慧，高级工程师，硕士，现任该公司石油二厂机动工程部部长，E-mail:jinjuh@petrochina.com.cn