加氫反應(yīng)器出口管線底部接管開裂修復(fù)及分析

呂佳琪

（中海油惠州石化有限公司，廣東 惠州 516086）

某加氫精制裝置以焦化汽柴油為原料，在適當(dāng)?shù)臏囟取毫?、氫油比和空速條件下，原料油和H2在催化劑的作用下進(jìn)行反應(yīng)，使油品中的雜質(zhì)，即硫、氮、氧化物轉(zhuǎn)化成為相應(yīng)的烴類及易于除去的H2S、NH3和H2O而脫除，同時，一部分不飽和烴(包括芳烴)得到加氫飽和，改進(jìn)油品質(zhì)量，生產(chǎn)出安定性、燃燒性較好的精制柴油產(chǎn)品；該裝置在運行中反應(yīng)器出口管線底部接管發(fā)生開裂。管道介質(zhì)主要是油氣、H2、H2S其他烴類，見表1。

表1 管道基本情況

1 檢驗分析

1.1 接管宏觀、低倍分析

接管開裂位置已切割下來，見圖1、2，接管加強(qiáng)管座的上端連接著出口管線的底部，接管加強(qiáng)管座的下端連接導(dǎo)淋閥，裂紋集中出現(xiàn)在接管與出口管線底部連接的焊縫區(qū)域，見圖2。

圖1 接管加強(qiáng)管座縱截面宏觀形貌

圖2 接管加強(qiáng)管座橫截面宏觀形貌

在接管加強(qiáng)管座與出口管線之間的環(huán)形接管焊縫處（橫截面）有多條裂紋存在，裂紋由接管內(nèi)壁向外擴(kuò)展，并有分叉，呈樹枝狀，具有奧氏體不銹鋼應(yīng)力腐蝕開裂的特征，見圖3。

圖3 接管的低倍形貌

1.2 接管材質(zhì)分析

從接管（焊縫）上切取塊狀樣品，依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，使用光譜儀等，對材質(zhì)進(jìn)行化學(xué)分析。結(jié)果表明，接管材質(zhì)成分符合321不銹鋼標(biāo)準(zhǔn)要求；焊縫材質(zhì)是304L不銹鋼，見表2。

表2 接管（焊縫）材質(zhì)化學(xué)分析（wt%）

1.3 金相分析

在接管上切取金相樣品，經(jīng)預(yù)磨、拋光、腐刻后，在顯微鏡下分析，裂紋起源于接管的內(nèi)壁，由內(nèi)向外穿晶擴(kuò)展；裂紋有分枝，呈樹枝狀，接管管壁金相組織為奧氏體+少量鐵素體，金相分析表明，接管開裂失效性質(zhì)為為奧氏體不銹鋼的應(yīng)力腐蝕破壞，見圖4。

圖4 接管金相組織

1.4 接管斷口的電鏡分析

使用掃描電鏡，對接管斷口形貌觀察和元素成分能譜分析。接管斷口上覆蓋著腐蝕產(chǎn)物，可見沿晶斷裂的痕跡，為脆性斷裂，具有不銹鋼應(yīng)力腐蝕破壞特征；能譜分析表明，接管斷口表面產(chǎn)物主要由C、O、Na、S、Fe、Cr、Ni等元素構(gòu)成，其中S含量很高，未檢測到Cl，見圖5。

圖5 接管斷口的OM+SEM+EDS

2 綜合分析

接管開裂位置在接管加強(qiáng)管座與管線底部的焊縫處及附近，裂紋具有應(yīng)力腐蝕破壞特征，其主要影響因素有：管線內(nèi)的腐蝕性介質(zhì)、接管加強(qiáng)管座與管線焊接處的應(yīng)力狀態(tài)、接管及焊縫的材質(zhì)性質(zhì)等。

（1）接管內(nèi)的介質(zhì)構(gòu)成為H2、H2S、HCl、油氣等，其中H2S、HCl與油氣的H2O就會構(gòu)成一個H2S-HCl-H2O的腐蝕環(huán)境，對接管材料產(chǎn)生腐蝕破壞作用。能譜分析表明，接管斷口上有C、O、S、Na、Fe、Cr、Ni等元素存在，其中S、O的含量均很高，尤其是S。雖然未檢測到Cl，但還不能排除介質(zhì)中的微量的Cl元素存在。

研究表明，在300℃溫度下，Cl-的存在易誘發(fā)18-8型奧氏體不銹鋼應(yīng)力腐蝕裂紋，而且不論介質(zhì)中含液態(tài)水、或高溫蒸汽、或過熱蒸汽均可發(fā)生。即使沒有Cl的存在，只要在一定量的S、O存在的條件下，18-8型奧氏體不銹鋼（固溶態(tài)、敏化態(tài)）同樣也能夠發(fā)生應(yīng)力腐蝕破壞。

（2）裂紋發(fā)生在出口管線底部與接管加強(qiáng)管座相連的焊縫區(qū)，焊縫金屬（鑄態(tài)組織）和加強(qiáng)管座側(cè)熱影響區(qū)開裂尤為重要，原因就是管座壁厚和焊縫截面較大，因此，焊接的殘余應(yīng)力很大。

（3）接管及焊縫材質(zhì)為321和304L不銹鋼，在H2S-HCl-H2O環(huán)境下是對應(yīng)力腐蝕破壞發(fā)生較為敏感的材料，尤其在接管的焊縫及熱影響區(qū)會更加嚴(yán)重。

（4）接管為下導(dǎo)淋管，位于出口管線（水平）的底部，該處存在焊縫縫隙等，易于管線內(nèi)介質(zhì)滯留，有害腐蝕元素容易積累。

在腐蝕介質(zhì)存在局部應(yīng)力集中，且材料對應(yīng)力腐蝕破壞較為敏感的情況下，接管加強(qiáng)管座處發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂，造成管線內(nèi)介質(zhì)泄漏。

3 結(jié)論及建議

3.1 結(jié)論

（1）接管的開裂失效性質(zhì)為奧氏體不銹鋼的應(yīng)力破壞。

（2）接管內(nèi)的腐蝕性介質(zhì)O、S、Cl、接管加強(qiáng)管座焊縫處的應(yīng)力集中和接管（焊縫）材質(zhì)對應(yīng)力腐蝕的敏感性，是導(dǎo)致接管發(fā)生應(yīng)力腐蝕破壞的三個主要因素。

3.2 建議

對于高溫高壓、易燃易爆的壓力容器、管道等設(shè)備的管理及檢驗不僅要對設(shè)備本體重視，更要對與壓力容器、管道連接的壓力表、液位計、排液導(dǎo)淋、控制手閥、熱電偶等附件的直徑較小接管更加重視，這些接管部位在使用過程中更容易發(fā)生泄漏。