摘 要:某油田終端處理廠輕烴區脫乙烷塔塔體鋼板存在開裂現象,為了查找鋼板的開裂原因, 采用理化檢驗、有限元等方法對其進行分析。結果表明:塔體鋼板材料化學成分中的鉻元素含量低 于標準值,其耐蝕性降低;冷彎處理使鋼板組織重新發生馬氏體轉變,材料的硬度增加,材料表層受 到彎曲拉應力,內部的低溫介質增加了材料開裂的風險;塔體外表面存在多種加載應力,以及由硫 化物、氯離子造成的腐蝕缺陷,其使塔體鋼板發生應力腐蝕開裂。

關鍵詞:脫乙烷塔;奧氏體不銹鋼;應力腐蝕;開裂 

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

某 油 田 終 端 處 理 廠 輕 烴 區 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 計 壓 力 為 2.0MPa,設計溫度為-65 ℃或10 ℃,塔體鋼板材 料為06Cr19Ni10鋼,該塔為露天設計,一直暴露于 海洋大 氣 環 境 中。塔 的 運 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 段進料口溫度為-35~-20 ℃。

根據建造 資 料,塔 體 鋼 板 在 焊 接 之 前 經 過 冷 彎加工 處 理,建 造 完 成 后,設 備 經 過 射 線 檢 測 合 格,且 對 外 表 面 進 行 涂 裝 與 用 保 溫 材 料 覆 蓋。 2014年,對塔體進行檢查,拆除保溫材料后,發現 保溫棉發黃,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 行 觀 察,發 現 某 些 部位涂層 剝 落,且 存 在 明 顯 的 腐 蝕 跡 象。進 一 步 對脫乙烷塔 塔 體 鋼 板 外 表 面 進 行 滲 透 檢 測,發 現 多處存在裂紋,且與多處腐蝕位置相吻合,經過統 計,裂紋出現在下段直徑為1500mm 的 塔 體 上, 多數集中在 下 封 頭 往 上 的 第 三 個 筒 節 上,第 四 筒 節上僅有少量裂紋。

經進一步檢查,塔體內壁未發現明顯裂紋,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,裂紋深度達到10mm。

為了查找鋼板的開裂原因,采用理化檢驗、有限 元等方法對其進行分析。

1 理化檢驗

1.1 宏觀和微觀分析 

選取第五筒節試樣上的裂紋進行宏觀觀察,其 宏觀形貌如圖1所示,圖中圓圈標注位置有多條淺 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 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,內部有明顯大顆粒夾雜物,同時局部有 較為致密的物質。

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

對該裂紋區斷口進行微觀形貌分析,發現其為 典型的解理形貌 [見圖6a)],而對無裂紋區域撕裂 后觀察斷口為韌窩形貌[見圖6b)]。

1.2 化學成分分析 

進一步對第五筒節裂紋區域的化學成分進行分 析,發現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;選取表面的凹坑進行成分分析,同樣發 現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,坑內的碳元素含量遠高于坑外的,鉻元 素的含量遠低于坑外的;對基體進行成分分析,發現 碳元素和氧元素的含量較低,且未發現鈉、氯和硫元 素。推測裂紋位置及凹坑處均存在腐蝕產物,鈉、氯 和硫元 素 均 來 自 于 海 洋 大 氣 鹽 霧 環 境 及 雨 水 等 介質。 

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

1.3 硬度測試 

將7 # ,8 # 試樣經過打磨、拋光后,從表面開始每 隔0.4mm 進行一次維氏硬度測試(HV10),壓痕位 置如圖7所示,共測試27個點,結果如表2所示,可 知符合 GB/T24511—2009標準要求(≤210HV)。

1.4 金相檢驗 

采用Zeiss倒置光學顯微鏡對7 # ,8 # 試樣進行 金相檢驗,檢測標準為 GB/T13298—2015《金屬顯 微組織檢驗方法》,檢測結果顯示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 組織將重新發生馬氏體轉變,這會增大材料的硬度,如果材料表層處于彎曲拉應力狀態,且內部為低溫 介質,就增加了材料開裂的風險[2-3]。

另外,對兩個試樣的顯微組織進行分析,8 # 試 樣未發現明顯裂紋,而7 # 試樣多處可見黑色區域, 判斷為微裂紋(見圖9)。 

1.5 拉伸試驗 

從鋼板的橫向與縱向分別取樣,采用 Z600 型 雙立柱萬能試驗機進行拉伸試驗,檢測結果(見表 3)符合 GB/T24511—2009標準要求。

1.6 晶間腐蝕試驗 

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

試驗方法參照 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 腐蝕試驗方法》標準,采用丙酮、乙醇對試樣進行脫 脂處理,試驗時間為16h,試驗完成后對所有試樣 進行彎曲處理,彎曲壓頭直徑為5mm。結果顯示 所有試樣均未出現晶間腐蝕裂紋。

2 有限元分析 

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

2.1 脫乙烷塔塔體模型 

采用 FLUENT 流體模擬軟件對塔體內流場進 行模擬,得到內部流場的溫度分布與壓力分布。再 將流場溫度計算結果代入到穩態熱力學計算模塊 Steady-StateThermal中,計 算 得 到 塔 板 的 溫 度 分 布。最終將計算得到的流場壓力與塔板溫度代入到 靜力學計算模塊StaticStructural中,考慮塔板的重 力與外界風載荷,最終計算得到塔板的應力分布。 

參考脫乙烷塔設計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。根據檢查結果,塔板裂紋主要出現在 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 溫度場模擬分析結果 

塔內流場內部溫度分布如圖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,而下端有重沸器進行加熱。在塔體出現裂紋的 N6至 M2之間,溫度約為-25 ℃。

2.3 塔體應力分布模擬結果 

將塔體溫度計算結果代入到靜力學計算模塊 StaticStructural中,同時考慮塔體的重力、流場施 加給塔體的壓力以及外界的風載荷,在這幾個力的共同作用下,計算塔體的應力分布。載荷施加情況 如圖13~16所示。 

塔體應力分布結果如圖17所示,除去在管孔等位 置的應力集中外,塔體整體應力為4MPa~192MPa, 塔體下端的應力要高于塔體上端的應力。在N6至 M2 區域,應力從150MPa逐漸下降到70MPa,而在 N2至 M3區域,塔體應力為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,當環境中的硫化物及氯離子等吸 附沉積到塔體表面時,塔體表面的鈍化膜會被破壞,從而形成亞穩態點蝕坑,而塔體所處的海洋大氣環 境與腐蝕性離子共同為腐蝕電化學過程提供了電解液,涂層老化形成微裂紋而暴露出的金屬與大面積 的鈍化區形成大陰極、小陽極的電化學反應[4-5],從 而導致了點蝕坑的長大。當點蝕坑長大到一定尺寸 后,在外表面較大的加載應力作用下,點蝕坑底部應 力集中處萌生裂紋,在有害離子的協同作用下發生 了應力腐蝕開裂[6-7]。

4 結論及建議

(1) 材 料 中 鉻 元 素 的 含 量 略 低 于 GB/T 24511—2009標準對304不銹鋼的要求,會對材料 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 彎處理導致組織在受到摩擦時重新發生馬氏體轉 變,材料的硬度增加,且內部為低溫介質,這就增加 了材料的開裂風險。

(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力腐蝕開裂。

(4)塔體鋼板在建造期間,應嚴格進行建造過 程質量監督,產品到貨后應嚴格執行抽檢驗收。

(5)在材料建造與施工過程中,應嚴格按照卷制工藝守則要求進行鋼板冷彎處理,必須使筒節和 滾筒軸線平行,以防止發生扭斜;控制好筒體的橢圓 度和上輥的進給量,使其不產生過卷現象。

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