裂解炉注气管线弯头开裂失效分析

(中国石油天然气股份有限公司大庆石化分公司,黑龙江 大庆 163714)

石油化工生产中的各类腐蚀常常导致设备和管道失效，从而造成各类事故[1-3]。2016年9月，某化工厂乙烯装置在停工检修期间，对一条裂解炉原料注气管线进行了检查，发现其上某90°弯头焊缝附近存在一条长裂纹。该裂解炉于2012年投入运行，结构为USC型管式裂解炉。该炉用于裂解重质液体原料时，为降低烃分压以达到降低裂解反应压力的目的，需将稀释蒸汽分两次注入到重质原料中。开裂失效部位位于裂解炉A室第一路进料线一次注气管线注入点前第二个弯头处，注气管线材质为304H不锈钢，规格尺寸为φ219 mm×8 mm，操作压力为0.5 MPa，操作温度为200 ℃，介质为稀释蒸汽。为查明弯头开裂原因，将注气管线报废弯头切割下来，利用扫描电镜及能谱仪等检测仪器，对弯头试件进行检测及分析。

1 弯头宏观检查分析

图1是弯头外壁焊缝附近的裂纹。由图1可以看出，裂纹位于弯头一侧的焊缝熔合线处，环向延伸长度大约为145 mm。开裂弯头位于竖直与水平管线的下拐点处。图2是弯头横截面形状。由图2可以看出，焊缝存在裂纹一侧的弯头横截面处，且弯头横截面处存在明显压扁变形，说明管线受热膨胀,对弯头产生了很大的挤压弯矩。由图2还可以看出，弯头内壁处的焊缝部分未焊透，并且对接处存在错边现象。测量弯头与直管焊接处,其焊缝错边量超过4 mm。

图1 弯头外壁焊缝附近的裂纹

图2 弯头横截面处的压扁变形

2 横截面宏观检查分析

从弯头焊缝开裂处截取小试件，用体视显微镜观察分析试件横截面裂纹情况，见图3。由图3可以看出，在焊缝外壁弯头一侧的焊缝熔合线处存在一条较大的裂纹，几乎扩展穿透，而直管一侧的焊缝熔合线处未发现裂纹。这是由于弯头壁厚较小，直管一侧的承载能力远大于弯头一侧，所以裂纹位于弯头一侧的焊缝熔合线处。

图3 弯头试件横截面的宏观形貌

3 外壁与横截面微观检测分析

将弯头试件外壁喷金导电处理，用扫描电镜观察分析弯头外壁表面与横截面外侧微观形貌，见图4和图5。由图4可以看出，弯头外壁的焊缝附近发现较多微裂纹，微裂纹大部分环向分布，延伸形态符合应力腐蚀裂纹特征。由图5可以看出，弯头横截面外侧的焊缝根部裂纹扩展距离很长，裂纹前端扩展蜿蜒曲折，裂纹尖端呈现分叉现象，这符合应力腐蚀裂纹扩展的特征，说明弯头外壁开裂属于应力腐蚀开裂。

图4 弯头外壁表面裂纹形貌 100×

图5 弯头横截面外侧微观形貌 100×

4 断口微观检测分析

采用机械弯折方法将裂纹较深的弯头试件破开，制成断口试样,用扫描电镜观察断口表面微观形貌，用能谱仪检测断口表面腐蚀产物成分，结果见图6和表1。

图6 弯头断口的微观形貌 300×

元 素w,%x,%C 45.7269.31O 13.2515.08Si 6.384.13Cl 0.320.17Cr 6.562.30Fe 25.088.18Ni 2.690.83

由图6可以看出，弯头开裂断口区域的微观形貌特征为冰糖状的沿晶类型，断口上还有一些二次裂纹，这符合沿晶型应力腐蚀开裂的断口特征。由表1可以看出，弯头断口表面的腐蚀产物成分主要为铁的碳化物和氧化物，在断口扩展区末端也就是原始裂纹尖端区域，发现微量的Cl元素。Cl是奥氏体不锈钢应力腐蚀最敏感的元素，304奥氏体不锈钢在高应力区域，存在微量Cl-就可以导致其发生应力腐蚀开裂[4-6]。由此可以确定，弯头外壁发生了Cl-导致的应力腐蚀开裂。

5 金相组织检测分析

截取弯头试样，用金相砂纸和金刚石研磨膏研磨和抛光，用王水溶液浸蚀，制成金相分析试样；用金相显微镜对试样金相组织和裂纹扩展情况进行观察分析，见图7和图8。由图7可以看出，弯头微观组织中裂纹扩展蜿蜒曲折，呈现树枝状分叉，并且主要沿着晶界扩展。由图8可以看出，弯头金相组织为奥氏体，晶粒度达到6级。焊缝附近的热影响区组织中均有一定程度的晶间碳化物析出现象。晶间碳化物析出削弱了晶界强度，由此产生沿晶型开裂。

图7 弯头裂纹处的金相组织 100×

图8 焊缝热影响区金相组织 500×

6 结论及措施

(1)弯头外壁焊缝熔合线处的应力腐蚀开裂是造成弯头失效的主要因素。

(2)运行中管道热膨胀,在焊缝处产生高应力;弯头内壁焊缝错边处有未焊透现象，造成弯头该区域应力集中。

(3)外壁保温棉渗透进来的微量Cl-是应力腐蚀开裂的环境因素；焊缝热影响区组织晶间碳化物析出使其晶间弱化，最终导致沿晶型应力腐蚀开裂。

(4)对装置的类似管线排查探伤，查看焊缝处是否有外壁裂纹、内壁未焊透等现象，消除类似的安全隐患。

(5)针对注气管线的热膨胀问题，进行热固耦合仿真计算，评估热膨胀变形产生的应力水平，以此来优化管线的悬挂固定结构。

(6)加强注气管线的外壁保温防护层施工质量控制，防止防护层不严造成漏雨而使得保温棉的Cl-渗透到管体外壁。