催化装置外取热器管程出口三通焊缝开裂失效分析

何家胜 高弯 伍伟

（武汉工程大学机电工程学院）(中石化湖北荆门石油分公司）

催化装置外取热器管程出口三通焊缝开裂失效分析

何家胜*高弯 伍伟

（武汉工程大学机电工程学院）(中石化湖北荆门石油分公司）

针对某催化装置外取热器管程出口三通焊缝开裂失效的情况，通过化学成分分析、有限元应力分析、扫描电镜分析等手段进行了失效分析。结果表明，三通的开裂性质为应力腐蚀开裂。

三通 焊缝 失效分析 有限元 应力腐蚀 换热器

0 序言

取热器[1-2]常用于石油化工行业催化裂化装置中，而三通作为取热器设备中流体改向、分流的重要管件，因其形状复杂、几何不连续、开孔以及材料缺陷等原因，容易产生较大的应力集中，从而诱发失效事故[3-5]。

某工厂80万t/a催化装置外取热器进出口的水汽管焊缝多次发生开裂，开裂主要集中在以下两个部位:（1）外取热器管程入口对应的法兰焊缝；（2）外取热器水汽管出口三通处焊缝。停工后对频繁开裂部位进行了取样。图1所示为外取热器管程出入口管线空视图，其中2#试样为外取热器管程出口三通。该三通露天布置，材质为20钢，其弹性模量为206 GPa，泊松比为0.3。管程的介质为饱和水（除盐、除氧水）与蒸汽，操作压力为3.5 MPa，设计压力为4.25 MPa，操作温度为220～250℃。本文主要对2#试样进行分析，从而探讨该催化装置外取热器管程出口三通焊缝开裂失效的原因。取样件主管内外径分别为106 mm、133 mm，支管内外径分别为90 mm、109 mm。

1 三通的宏观形貌、化学成分和水质分析

图2所示为失效三通的宏观形貌。在样件观察时，发现三通主管一侧有许多微裂纹，微裂纹沿着焊缝周围分布，并且主要分布在三通腹部区域。为了便于分析开裂形式，将三通试件按照图示剖切。剖切后发现，裂纹源于三通内壁的缺口，由里向外形成一条穿透管壁的贯穿裂纹，如图3所示。此外，三通有明显的焊接缺陷，存在单面焊未焊透，在开口处焊接接头并未形成对接接头，而是形成为角接接头形式，即焊缝为角焊缝。

图1 外取热器出入口管线空视图

图2 失效三通形貌

图3 内部缺陷、裂纹

将失效三通试件送检验站，进行化学成分分析。表1所示为采用化学法对三通材料及焊缝的化学成分检测结果，并与GB/T 699—2015《优质碳素结构钢》中20钢的成分要求进行对比。由表1可见，开裂三通部件焊缝处的化学成分与国标要求相比，C含量不足，Si、Mn含量超标，而主管与支管的化学成分均在标准范围内。

表1 三通各部位化学元素含量分析（质量百分数，%）

其中C含量的不足会降低钢的强度极限；而Si作为还原剂和脱氧剂，其含量的增加会降低钢的焊接性能。Mn有促进晶粒增长的作用，因此锰钢对过热较敏感，在热处理时必须注意，Mn含量较高时会出现较明显的回火脆性现象。另外，Mn含量的增高会使钢耐锈蚀性能降低。

外取热器给水来源与装置余热锅炉给水相同。锅炉管线运行经验表明，若炉水碱度高，将导致缝隙部位产生碱浓缩，从而导致碱应力腐蚀开裂的情况发生。虽然锅炉给水有严格的水质管理制度，但为查明原因，对外取热器开裂频繁的2014年的水质分析数据进行了复查，主要数据全碱度平均为0.4 mmol/L，pH为10.1，符合水质管理要求，未出现长时间超指标情况。

2 有限元应力分析

鉴于三通的焊接质量存在明显缺陷，因此有必要通过有限元方法对其局部应力进行对比分析并进行强度评定[6]。

为了便于观察，将三通1/4部分的几何模型导入ANSYS软件。图4所示为三通的理想模型。先根据受力情况和材料参数定义软件内单元类型和弹性模量，然后再对其进行自动四面体网格划分。约束方式是对支管端部固定Y方向的位移，对主管的一端固定Z方向的位移。由于取三通的1/4建模，故还要在该模型的剖切面上施加对称约束。该三通管承受内压，因此需在此三通主管和支管内部施加p=4.25 MPa的压力。对加载后的模型进行计算，得到的应力分布云图如图5所示。由图5可知，三通主、支管相贯区域有很大的集中应力，为危险区域，而三通最大等效应力点在其肩部内侧，为75.694 MPa，远低于三通工作温度时的强度极限110 MPa。因此，理想模型下的三通在仅承受介质内压的情况下能满足强度要求，保证设备的安全运行。

前已述及三通单面未焊透，根据这一实际情况需要对其相贯部分进行相应的材料移除，进而建立如图6所示的实际三通几何模型。重复上述理想模型的加载步骤，得到实际三通的应力分布云图，如图7所示。由图7可知，三通最大等效应力增大至96.15 MPa。也就是说，由于焊接坡口及缺陷的存在，使焊缝处出现更大的应力集中，因此实际三通的强度有较大程度的降低。

图4 1/4三通理想模型

图5 三通理想模型应力分布云图

图6 实际三通几何模型

图7 实际三通应力分布云图

3 电镜扫描分析

为进一步分析三通开裂失效的类型，对存在裂纹的焊缝进行了金相组织和夹杂物检验。结果表明，三通焊缝处的材料组织为针状铁素体、先共析铁素体、珠光体，夹杂物为DS2（单颗粒球状类）。

将三通焊缝裂纹处的材料取样并打开裂纹面，如图8所示。对图8中所示的1、2、3区域进行微区扫描电镜分析，得到其微观形貌如图9～图14所示。

从微区形貌图可见，裂纹面的开裂呈脆性开裂特征，1区域存在着晶间开裂、分层现象，2、3区域的微观形貌整体较为平整，但也存在晶间开裂现象。由此可以判断，三通的开裂失效为应力腐蚀开裂，裂纹在1区域萌生并向2区域、3区域扩展，最后引起材料断裂，造成泄漏。

图8 三通焊缝裂纹处试样及采样处

图9 1区微观形貌图（×50）

图10 1区微观形貌图（×500）

图11 2区微观形貌图（×50）

图12 2区微观形貌图（×500）

图13 3区微观形貌图（×35）

图14 3区微观形貌图（×500）

4 结束语

由以上失效分析可知，该三通焊缝处裂纹由内至外扩展，从而导致泄漏。其具体原因如下：外取热器出口三通属于大开孔情况，管径比达到82%，对开口加工要求高。从剖分情况观察，开口处焊接接头未形成对接接头，为角接接头形式，焊缝为角焊缝。由试样分析可见，主管、支管开孔加工的几何形状及精度不准确，因此影响了焊接质量，在焊缝部位造成焊接缺陷。这些缺陷在应力集中区引发应力腐蚀破坏，导致微裂纹产生，而裂纹萌生逐步扩展，积累到一定程度后快速扩展，形成贯穿管内外的裂纹，进而导致三通焊缝处发生开裂失效，造成介质泄漏。

为保证催化装置的长期平稳运行，需加强对现场施工材料、焊接质量的控制。管子与管件的规格标准应一致，防止出现管内表面错变严重的情况，确保实现单面焊双面成形。采用氩弧焊进行单面焊时，应严格遵循焊接规范，以保证焊缝根部质量。焊接后应进行100%射线探伤。通过加大取热管直径、提高三通处开口加工质量及保证三通焊接质量，可避免大开孔三通的应力集中，从根源上解决三通焊接质量差的问题，从而能够有效地避免因根部缺陷所导致的应力腐蚀开裂。

[1]杨开岩.重油催化裂化装置外取热器应用 [J].石油炼制与化工，2005，36(1)：44-47.

[2]曹春燕，王明东，周志航.催化裂化装置外取热器存在问题及应对措施[J].中外能源，2015，20（10）：88-91.

[3]董雷云，蒋晓东，潘缉悌.污水泵出口三通失效分析[J].化工设备与管道，2002，35(5)：53-55.

[4]金亚奎，郑启文，马毅，等.奥氏体不锈钢三通裂纹分析 [J].压力容器，2008，26(1)：32-36.

[5]马小明，伍海敏.液化天然气气化站集合管三通断裂失效分析 [J].热加工工艺，2014，43(6):221-223.

[6]张玉福，马颖，胡国栋，等.含裂纹锻造三通管有限元计算及安全评定 [J].石油化工设备，2010，39（5）：13-17.

Failure Analysis on the Cracked Weld Seam of Outlet Tee Tube Used in the External Heat Exchanger of FCC Unit

He Jiasheng Gao Wan Wu Wei

In the case of cracking in the tee′s welds of the external heat exchanger tube of a catalytic unit,failure analysis was performed by means of chemical composition analysis,finite element stress analysis,scanning electron microscope analysis and so on.The results showed that the cracks property of the tee was stress corrosion cracking.

Tee;Weld seam;Failure analysis;Finite element;Stress corrosion;Heat exchanger

TQ 053.6

10.16759/j.cnki.issn.1007-7251.2017.06.012

2016-08-03)

*何家胜，男，1958年生，硕士，教授。武汉市，430074。