摘 要:某油田終端處理廠輕烴區(qū)脫乙烷塔塔體鋼板存在開裂現(xiàn)象,為了查找鋼板的開裂原因, 采用理化檢驗(yàn)、有限元等方法對其進(jìn)行分析。結(jié)果表明:塔體鋼板材料化學(xué)成分中的鉻元素含量低 于標(biāo)準(zhǔn)值,其耐蝕性降低;冷彎處理使鋼板組織重新發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變,材料的硬度增加,材料表層受 到彎曲拉應(yīng)力,內(nèi)部的低溫介質(zhì)增加了材料開裂的風(fēng)險(xiǎn);塔體外表面存在多種加載應(yīng)力,以及由硫 化物、氯離子造成的腐蝕缺陷,其使塔體鋼板發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂。

關(guān)鍵詞:脫乙烷塔;奧氏體不銹鋼;應(yīng)力腐蝕;開裂

中圖分類號:TG142.71 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B 文章編號:1001-4012(2022)04-0043-06

某 油 田 終 端 處 理 廠 輕 烴 區(qū) 脫 乙 烷 塔 塔 體 高 28.6m,下 段 直 徑 為 1 500 mm,上 段 直 徑 為 1000mm,塔 體 厚 度 為 14 mm,設(shè) 計(jì) 壓 力 為 2.0MPa,設(shè)計(jì)溫度為-65 ℃或10 ℃,塔體鋼板材 料為06Cr19Ni10鋼,該塔為露天設(shè)計(jì),一直暴露于 海洋大 氣 環(huán) 境 中。塔 的 運(yùn) 行 壓 力 為 16.5×10 5 ~ 17.0×10 5 Pa;塔頂出氣口溫度為-20~-12 ℃,氣 體組分為乙烷(大于95%);回流溫度為-20 ℃,下 段進(jìn)料口溫度為-35~-20 ℃。

根據(jù)建造 資 料,塔 體 鋼 板 在 焊 接 之 前 經(jīng) 過 冷 彎加工 處 理,建 造 完 成 后,設(shè) 備 經(jīng) 過 射 線 檢 測 合 格,且 對 外 表 面 進(jìn) 行 涂 裝 與 用 保 溫 材 料 覆 蓋。 2014年,對塔體進(jìn)行檢查,拆除保溫材料后,發(fā)現(xiàn) 保溫棉發(fā)黃,塔體外壁潮濕,部分保溫層部位存在 雨水積聚。對 塔 體 外 壁 涂 層 進(jìn) 行 觀 察,發(fā) 現(xiàn) 某 些 部位涂層 剝 落,且 存 在 明 顯 的 腐 蝕 跡 象。進(jìn) 一 步 對脫乙烷塔 塔 體 鋼 板 外 表 面 進(jìn) 行 滲 透 檢 測,發(fā) 現(xiàn) 多處存在裂紋,且與多處腐蝕位置相吻合,經(jīng)過統(tǒng) 計(jì),裂紋出現(xiàn)在下段直徑為1500mm 的 塔 體 上, 多數(shù)集中在 下 封 頭 往 上 的 第 三 個(gè) 筒 節(jié) 上,第 四 筒 節(jié)上僅有少量裂紋。

經(jīng)進(jìn)一步檢查,塔體內(nèi)壁未發(fā)現(xiàn)明顯裂紋,塔體 裂紋均位于外壁,并沿軸向開裂,母材與焊縫位置均 有裂紋萌生,其中母材位置的裂紋較多,裂紋最長約 800mm,裂紋深度達(dá)到10mm。

為了查找鋼板的開裂原因,采用理化檢驗(yàn)、有限 元等方法對其進(jìn)行分析。

1 理化檢驗(yàn)

1.1 宏觀和微觀分析

選取第五筒節(jié)試樣上的裂紋進(jìn)行宏觀觀察,其 宏觀形貌如圖1所示,圖中圓圈標(biāo)注位置有多條淺 裂紋。采用ZeissEVO18型掃描電鏡對淺裂紋的微觀形貌進(jìn)行觀察,其微觀形貌如圖2所示,由圖2 可知,淺 裂 紋 為 典 型 的 樹 枝 狀 形 貌,且 呈 間 斷 式 連接。

圖1中裂紋 A 起 源 于 凹 坑 處,分 別 向 兩 邊 擴(kuò) 展,裂紋 A 的微觀形貌如圖3所示。裂紋 B的微觀 形貌如圖4所示,由圖4可知,局部裂紋深度較深, 且表面粗糙,內(nèi)部有明顯大顆粒夾雜物,同時(shí)局部有 較為致密的物質(zhì)。

對第七筒節(jié)某處裂紋進(jìn)行斷口宏觀分析(見圖 5),可見裂紋區(qū)斷口顏色較深,失去金屬光澤,呈典 而無裂紋區(qū)域仍然有金屬光澤。

對該裂紋區(qū)斷口進(jìn)行微觀形貌分析,發(fā)現(xiàn)其為 典型的解理形貌 [見圖6a)],而對無裂紋區(qū)域撕裂 后觀察斷口為韌窩形貌[見圖6b)]。

1.2 化學(xué)成分分析

進(jìn)一步對第五筒節(jié)裂紋區(qū)域的化學(xué)成分進(jìn)行分 析,發(fā)現(xiàn)多處位置的碳元素和氧元素含量較高,碳元 素含量局部最高為93.48%,且均含有一定量的鈉、 氯和硫元素;選取表面的凹坑進(jìn)行成分分析,同樣發(fā) 現(xiàn)碳元素和氧元素含量較高,且均含有一定量的鈉、氯和硫元素,坑內(nèi)的碳元素含量遠(yuǎn)高于坑外的,鉻元 素的含量遠(yuǎn)低于坑外的;對基體進(jìn)行成分分析,發(fā)現(xiàn) 碳元素和氧元素的含量較低,且未發(fā)現(xiàn)鈉、氯和硫元 素。推測裂紋位置及凹坑處均存在腐蝕產(chǎn)物,鈉、氯 和硫元 素 均 來 自 于 海 洋 大 氣 鹽 霧 環(huán) 境 及 雨 水 等 介質(zhì)。

對第七筒節(jié)、第八筒節(jié)鋼板取樣進(jìn)行化學(xué)成分 分析,分別編號為7 # 和8 # ,采用直讀光譜儀對其進(jìn) 行化學(xué)成分分析,結(jié)果如表1所示,得出鉻元素含量 未達(dá)到標(biāo)準(zhǔn) GB/T24511—2009 《承壓設(shè)備用不銹 鋼鋼板及鋼帶》對304不銹鋼的要求,這將會(huì)影響材 料的耐蝕性能[1]。

1.3 硬度測試

將7 # ,8 # 試樣經(jīng)過打磨、拋光后,從表面開始每 隔0.4mm 進(jìn)行一次維氏硬度測試(HV10),壓痕位 置如圖7所示,共測試27個(gè)點(diǎn),結(jié)果如表2所示,可 知符合 GB/T24511—2009標(biāo)準(zhǔn)要求(≤210HV)。

1.4 金相檢驗(yàn)

采用Zeiss倒置光學(xué)顯微鏡對7 # ,8 # 試樣進(jìn)行 金相檢驗(yàn),檢測標(biāo)準(zhǔn)為 GB/T13298—2015《金屬顯 微組織檢驗(yàn)方法》,檢測結(jié)果顯示7 # ,8 # 試樣的顯 微組織均為奧氏體 + 馬氏體 + 少量鐵素體(見 圖 8)。奧氏體鋼鋼板在外表面受到摩擦后,里面的新 組織將重新發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變,這會(huì)增大材料的硬度,如果材料表層處于彎曲拉應(yīng)力狀態(tài),且內(nèi)部為低溫 介質(zhì),就增加了材料開裂的風(fēng)險(xiǎn)[2-3]。

另外,對兩個(gè)試樣的顯微組織進(jìn)行分析,8 # 試 樣未發(fā)現(xiàn)明顯裂紋,而7 # 試樣多處可見黑色區(qū)域, 判斷為微裂紋(見圖9)。

1.5 拉伸試驗(yàn)

從鋼板的橫向與縱向分別取樣,采用 Z600 型 雙立柱萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸試驗(yàn),檢測結(jié)果(見表 3)符合 GB/T24511—2009標(biāo)準(zhǔn)要求。

1.6 晶間腐蝕試驗(yàn)

分別對7 # ,8 # 試樣進(jìn)行取樣,開展晶間腐蝕試 驗(yàn)。7 # 試樣內(nèi)壁取樣編號為1,2,3外壁取樣編號 為4,5,6;8 # 試樣內(nèi)壁取樣編號為7,8,9,外壁取樣 編號為10,11,12。

試驗(yàn)方法參照 GB/T4334—2020《金屬和合金 的腐蝕 奧氏體及鐵素體-奧氏體(雙相)不銹鋼晶間 腐蝕試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn),采用丙酮、乙醇對試樣進(jìn)行脫 脂處理,試驗(yàn)時(shí)間為16h,試驗(yàn)完成后對所有試樣 進(jìn)行彎曲處理,彎曲壓頭直徑為5mm。結(jié)果顯示 所有試樣均未出現(xiàn)晶間腐蝕裂紋。

2 有限元分析

為研究塔體鋼板出現(xiàn)裂紋的原因,擬采用數(shù)值模擬方法對鋼板所受應(yīng)力及其應(yīng)力分布進(jìn)行計(jì)算。 由于脫乙烷塔入口流體溫度為-55~-20 ℃,而其 底部重沸器內(nèi)介質(zhì)溫度為72~76℃,其內(nèi)部工作溫 度較低且有較大溫差;同時(shí),脫乙烷塔的運(yùn)行壓力為 1.65MPa~1.70MPa。因此,在計(jì)算鋼板的應(yīng)力分 布時(shí),除重力因素外,也需要考慮溫度和內(nèi)部壓力對 塔體鋼板應(yīng)力的影響。

2.1 脫乙烷塔塔體模型

采用 FLUENT 流體模擬軟件對塔體內(nèi)流場進(jìn) 行模擬,得到內(nèi)部流場的溫度分布與壓力分布。再 將流場溫度計(jì)算結(jié)果代入到穩(wěn)態(tài)熱力學(xué)計(jì)算模塊 Steady-StateThermal中,計(jì) 算 得 到 塔 板 的 溫 度 分 布。最終將計(jì)算得到的流場壓力與塔板溫度代入到 靜力學(xué)計(jì)算模塊StaticStructural中,考慮塔板的重 力與外界風(fēng)載荷,最終計(jì)算得到塔板的應(yīng)力分布。

參考脫乙烷塔設(shè)計(jì)圖紙信息所建立的脫乙烷塔 塔體模型(見圖10),N6為重沸器出口,M2與 M3 為人孔。根據(jù)檢查結(jié)果,塔板裂紋主要出現(xiàn)在 N6 與 M2之間。建模塔體總高度為28.5m,塔體下端 圓柱外直徑為1528 mm,壁厚為14 mm。錐體上 部外直徑為1028mm,壁厚為14mm。N6與 M2 軸線豎直距離為5650mm,M2與 M3的圓柱軸線 之間垂直距離為5400mm。

2.2 溫度場模擬分析結(jié)果

塔內(nèi)流場內(nèi)部溫度分布如圖11所示,塔體溫度 分布如圖12所示,塔體溫度為-35~-20 ℃,下段 溫度高于上段溫度,這是由于上段氣體入口溫度較 低,而下端有重沸器進(jìn)行加熱。在塔體出現(xiàn)裂紋的 N6至 M2之間,溫度約為-25 ℃。

2.3 塔體應(yīng)力分布模擬結(jié)果

將塔體溫度計(jì)算結(jié)果代入到靜力學(xué)計(jì)算模塊 StaticStructural中,同時(shí)考慮塔體的重力、流場施 加給塔體的壓力以及外界的風(fēng)載荷,在這幾個(gè)力的共同作用下,計(jì)算塔體的應(yīng)力分布。載荷施加情況 如圖13~16所示。

塔體應(yīng)力分布結(jié)果如圖17所示,除去在管孔等位 置的應(yīng)力集中外,塔體整體應(yīng)力為4MPa~192MPa, 塔體下端的應(yīng)力要高于塔體上端的應(yīng)力。在N6至 M2 區(qū)域,應(yīng)力從150MPa逐漸下降到70MPa,而在 N2至 M3區(qū)域,塔體應(yīng)力為50MPa~100MPa。

3 綜合分析

塔體材料為 06Cr19Ni10 奧 氏 體 不 銹 鋼,其 對 鹵離子較為敏感,當(dāng)環(huán)境中的硫化物及氯離子等吸 附沉積到塔體表面時(shí),塔體表面的鈍化膜會(huì)被破壞,從而形成亞穩(wěn)態(tài)點(diǎn)蝕坑,而塔體所處的海洋大氣環(huán) 境與腐蝕性離子共同為腐蝕電化學(xué)過程提供了電解液,涂層老化形成微裂紋而暴露出的金屬與大面積 的鈍化區(qū)形成大陰極、小陽極的電化學(xué)反應(yīng)[4-5],從 而導(dǎo)致了點(diǎn)蝕坑的長大。當(dāng)點(diǎn)蝕坑長大到一定尺寸 后,在外表面較大的加載應(yīng)力作用下,點(diǎn)蝕坑底部應(yīng) 力集中處萌生裂紋,在有害離子的協(xié)同作用下發(fā)生 了應(yīng)力腐蝕開裂[6-7]。

4 結(jié)論及建議

(1) 材 料 中 鉻 元 素 的 含 量 略 低 于 GB/T 24511—2009標(biāo)準(zhǔn)對304不銹鋼的要求,會(huì)對材料 的耐蝕性造成不利影響。

(2)奧氏體不銹鋼對鹵離子較為敏感,鋼板冷 彎處理導(dǎo)致組織在受到摩擦?xí)r重新發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn) 變,材料的硬度增加,且內(nèi)部為低溫介質(zhì),這就增加 了材料的開裂風(fēng)險(xiǎn)。

(3)塔體鋼板開裂的主要原因是塔體外表面存 在多種加載應(yīng)力、硫化物,以及氯離子造成的腐蝕缺 陷,這些因素共同作用造成應(yīng)力腐蝕開裂。

(4)塔體鋼板在建造期間,應(yīng)嚴(yán)格進(jìn)行建造過 程質(zhì)量監(jiān)督,產(chǎn)品到貨后應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行抽檢驗(yàn)收。

(5)在材料建造與施工過程中,應(yīng)嚴(yán)格按照卷制工藝守則要求進(jìn)行鋼板冷彎處理,必須使筒節(jié)和 滾筒軸線平行,以防止發(fā)生扭斜;控制好筒體的橢圓 度和上輥的進(jìn)給量,使其不產(chǎn)生過卷現(xiàn)象。

參考文獻(xiàn):

[1] 胡麗華,張雷,許立寧,等.Cr含量對低合金耐蝕管線 鋼焊接接頭組織和性能的影響[J].材料熱處理學(xué)報(bào), 2010,31(3):92-96.

[2] 張輝,盧忠銘,李茂東,等.石化重催裝置安全閥彈簧 斷裂原 因 分 析 [J].理 化 檢 驗(yàn) (物 理 分 冊),2019,55 (2):129-132.

[3] 王寶君,劉燕,藺曉亮,等.82B盤條拉拔橫裂紋斷裂 分析[J].物理測試,2019,37(4):35-38.

[4] 卿建華,王金鹿.大榭島油庫5000m 3 污水調(diào)節(jié)罐腐 蝕穿孔原因[J].腐蝕科學(xué)與防護(hù)技術(shù),2003,15(6): 372-373.

[5] 李俊俊,劉峰.換 熱 器 管 束 腐 蝕 穿 孔 失 效 原 因 分 析 [J].遼寧石油化工大學(xué)學(xué)報(bào),2012,32(3):54-57,62.

[6] 劉傳森,李壯壯,陳 長 風(fēng).不 銹 鋼 應(yīng) 力 腐 蝕 開 裂 綜 述 [J].表面技術(shù),2020,49(3):1-13.

[7] 李衛(wèi)華,燕輝,馬連寶.316L 換熱管斷裂失效原因分 析[J].石油和化工設(shè)備,2021,24(2):49-54,60.

<文章來源>材料與測試網(wǎng)>期刊論文>理化檢驗(yàn)－物理分冊>58卷>4期(pp:43-48)>