冷低分安全阀接管断裂失效分析

杨朝松

(中国石油化工股份有限公司上海高桥石化有限公司，上海 200137)

冷低分安全阀接管断裂失效分析

杨朝松

(中国石油化工股份有限公司上海高桥石化有限公司，上海 200137)

介绍了加氢裂化装置冷低分罐安全阀前接管断裂失效情况，从外观形貌分析发现接管断口没有塑性变形和颈缩，属于脆性开裂。能谱分析显示接管断口有大量的硫，证明焊缝断裂失效是由于H2S引起的应力腐蚀开裂。化学成分分析结果认定现场所用材料与设计选用材料一致，另外金相组织分析表明焊缝过渡层中高硬度马氏体组织使焊缝脆性增加。根据上述原因分析从设计规范、焊接施工和工艺操作等方面提出了建议。

冷低分罐 接管断裂 能谱测试 金相组织

1 情况简介

某公司1.4 Mt/a加氢裂化装置于2004年10月投产，2007年9月经过原油适应性改造，装置进料硫质量分数从1.2%提高到1.96%，部分设备进行了材质升级。装置冷低分(D-3110)，设置了3台安全阀，2开1备。在装置新建时，设计配置：安全阀带配对法兰，安全阀阀体为不锈钢，配对法兰为不锈钢法兰，安全阀前接管为304不锈钢法兰+碳钢管焊接而成。

2015年2月，冷低分(D-3110)罐顶的北侧安全阀(PSV-3103/A)阀前接管与安全阀连接的法兰焊缝处发生贯穿性开裂，裂纹长度达整圈焊缝长度的60%，开裂发生在碳钢与不锈钢焊缝的热影响区。

安全阀接管主要操作参数如下：

设计/操作温度:70 ℃/50 ℃；

设计/操作压力:2.75 MPa/2.0 MPa；

操作介质:油气、H2S和H2，其中H2和H2S质量分数分别为60%和1%。

2 接管断裂分析

2.1 断口宏观形貌分析

断裂接管断口腐蚀形貌见图1。可以看出，断口处没有塑性变形和颈缩，属于脆性开裂。裂纹起源于内壁，从内壁向外壁有放射纹，外壁大约有一半的厚度有瞬时撕裂的痕迹，说明裂纹从内壁起裂大约一半的厚度时，剩余截面不足以承担内压而瞬时过载断裂。

裂纹是从内壁同时起裂的，裂纹基本上是沿着热影响区扩展的， 少部分区域在焊缝中心线扩展。断口上锈蚀严重，清理后局部区域露出基体，可以看到局部的二次裂纹。

图1 断裂接管断口宏观形貌

2.2 断口微观形貌分析

为了进一步观察裂纹断口的特征，将裂纹面扳开后，在扫描电镜中观察其断口微观形貌，用线切割的方法截取断裂处的2小块试样，用丙酮清洗后进行了扫描电镜分析，其微观形貌见图2。

图2 断裂接管断口微观形貌

从图2可以看出：断口锈蚀严重，但局部显示沿晶开裂断口形貌。整个断口上，靠近内壁为裂源区，该断口呈“冰糖状”沿晶开裂特征，中部亦为沿晶开裂断口，靠近外壁边缘处呈“韧窝状”断口，说明此处是最后撕裂部位。整个断口显示出与金相分析结果一致，裂纹扩展主要是以沿晶开裂为主。

2.3 接管断口能谱分析

为确定腐蚀介质的主要参与元素，对断口上的腐蚀产物进行了能谱分析，即对靠近内壁处的三个点进行了能谱测试，结果见表1。

表1 断口表面腐蚀产物能谱分析 w,%

由化学成分分析可以明显得到，断口上的硫是主要腐蚀成分，而且接管开裂后，接管内的含硫介质侵入到断口。根据断口的裂纹扩展途径主要是以沿晶为主这一特征来判断，断口腐蚀产物大量的硫是产生晶间型应力腐蚀的主要介质因素，加速了晶间型应力腐蚀的速度，证明焊缝断裂失效是由于H2S引起的应力腐蚀开裂[1]。

2.4 材料化学成分分析

接管处材料设计为304不锈钢法兰+碳钢管，对材料进行取样做化学成分分析，分别对焊材区两侧的母材及焊缝进行了光谱分析，分析结果见表2、表3和表4。

表2 碳钢管线材料的化学成分分析 w,%

表3 不锈钢法兰材料的化学成分分析 w，%

表4 焊缝材料的化学成分分析 w，%

由表2、表3和表4可以看出现场所用材料与设计选用材料一致，现场所用材料为304不锈钢法兰+碳钢管焊接短管。

2.5 断裂焊缝金相分析

为了掌握裂纹的扩展途径以及材料的金相组织状况，分别对焊材区、热影响区和母材区进行拍照，金相照片见图3至图8。

图3 焊缝金相

图4 焊缝裂纹

图5 碳钢侧热影响区

可以看出，靠近碳钢一侧熔合线的焊缝有细微的裂纹。焊缝区组织有明显变化，碳钢侧碳从母材通过熔合区向焊缝扩散，在靠近熔合区的母材上形成一个软化的脱碳层，熔合线的焊缝金属中出现了马氏体组织。

图6 不锈钢侧热影响区

图7 不锈钢母材

图8 碳钢母材

裂纹的特征形貌说明，裂纹的扩展深度与宽度相比相差较大，裂纹与所受的应力大小和方向有关。裂纹扩展从宏观上可以观察到裂纹是沿最大主应力方向扩展的。此次接管焊缝上出现的裂纹系应力腐蚀裂纹，与介质情况和接管焊缝表面的状况及应力有关。

3 结 论

(1)碳钢与不锈钢焊接时在靠近碳钢一侧熔合线的焊缝金属中，会形成一层与内部焊缝金属成分不同的过渡层。碳钢的合金成分含量低， 对焊缝金属的成分有冲淡作用，焊缝的奥氏体形成元素不足，熔化的母材和填充金属不能充分地混合,使焊缝中出现马氏体组织，过渡层中的高硬度马氏体组织会使脆性增加，塑性显著降低，形成低塑性带，从而降低了焊接结构的可靠性，焊接接头质量恶化，甚至导致开裂[2]。碳钢与不锈钢线膨胀系数差异较大，它们所组成的焊接接头会产生很大的残余应力，可促使熔合区内缺陷的发展和聚集。

(2)对照API RP571《炼油设备的损伤机理》，结合装置该部位的介质、操作温度、操作压力和开裂焊缝外表情况等，判断焊缝开裂的失效机理为湿硫化氢环境下的应力腐蚀开裂，这种开裂是由于硫化物导致的应力腐蚀开裂(SSCC)和应力诱导的氢致开裂(SOHIC)。据统计，国内炼油装置的湿硫化氢应力腐蚀开裂情况比较严重。

(3)引起湿硫化氢应力腐蚀开裂的原因有：硫化物导致的应力腐蚀开裂(SSCC)易发生在高强度钢的焊接熔合区和低合金钢的热影响区，SSCC的敏感性与渗透到钢材内的氢分压有关，与pH值和H2S含量的环境因素有关。应力诱导的氢致开裂(SOHIC)易发生在焊缝的热影响区，特别是熔合线处。研究显示，当H2S质量分数大于10 μg/g时，对存在强应力的钢极为敏感。

4 解决措施

(1)焊接施工。用熔合比小的焊接方法，降低母材的稀释作用，提高焊缝可靠性，减少焊缝的残余应力，避免原始裂纹。

(2)工艺操作。减少操作波动导致安全阀起跳时的外界应力，降低操作介质中H2S含量，缓解H2S应力腐蚀导致裂纹的发展。

(3)设计规范。设计流程上根据介质变化，选材时避免异种钢焊接，尽量采用异种钢法兰连接过度，根除本质风险。

[1] 刘世宏.X射线光电子能谱分析[M].北京:科学出版社，1988：198.

[2] 设备防腐专业组.石油化工装置设备腐蚀与防护手册[M].北京:中国石化出版社，2001：236.

(编辑 张向阳)

Rupture Failure Analysis of Safety Valve Connecting Pipe in Cold Low-pressure Separator

YangChaosong

(SINOPECShanghaiGaoqiaoCo.,Ltd.,Shanghai200137，China)

Rupture failure was introduced of the front connecting pipe of safety valve in cold low-pressure separator of hydrogenation cracking unit, and the rupture is of brittle fracture for that there was no plastic deformation and neck shrinkage in the fracture through the appearance analysis. Spectrum analysis shows that there are a large number of S ions in the fracture surface, proving that fracture failure of the weld is due to the stress corrosion cracking caused by H2S. The results of chemical composition analysis found that the materials used in the field are consistent with the materials selected in the design, besides, analysis of metallographic structure discovered that high hardness martensite in the transition layer increases the brittleness of the weld. Suggestions were proposed in terms of design specification, welding construction and process operation, according to the above analysis.

cold low-pressure separator, rupture of connecting pipe, spectrum test, metallographic structure

2016-08-29 ；修改稿收到日期：2017-02-06。

杨朝松(1978-)，高级工程师，硕士,现从事设备管理工作。E-mail:yangchaosong@sinogpc.com