乙二醇反应器泄漏原因分析

2012年第42卷第6期炼油技术与工阡 ROLEUM REFINERY ENGINEERING机城设者乙二醇反应器泄漏原因分析胡国勇(中国石油化工股份有限公司工程部,北京市100728)犢饔:某乙二醇装置板材材质为SA543的列管式反应器运行20个月后,其下部环焊缝出现了裂纹,导致蒸汽泄漏。后对出现裂纹的焊缝部位取试样进行了化学成分金相分析硬度检测、应力腐蚀开裂敏感性分析等相关试验。试验结果表明,化学成分满足要求;硬度值偏高;金相分析发现试件A有3处裂纹和1处焊接缺陷,其中一条裂纹长约6.5mm(裂纹1)另一条长约10.5mm(裂纹2)能谱分析微区成分主要为氧和铁元素局部有磷元索存在。同时分析了反应器焊缝出现裂纹的因认为反应器焊缝裂纹是由「应力腐蚀引起的除了磷酸三钠除垢剂焊接残余应力等因素外,焊接缺陷和焊接接头的高硬度对应力腐蚀开裂也有一定的影响。用SA345制造水冷却器时,应进行焊后热处理并停止使用磷酸钠除垢剂。关键词:反应器裂纹金相分析应力腐蚀某公司乙二醇装置环氧乙烷反应器于2007度试验测试焊接接头硬度变化情况;年3月投用。2008年10月20日发现环氧乙烷反(5)在A试样上选取l处裂纹人为打开,观应器气体冷却器外壳位于接管D13上方的环焊察裂纹宏观、微观形貌,并进行能谱分析(EDS)缝CI出现2处泄漏,经检查发现该处环焊缝(内径2500mm,壁厚49mm)中存在大量裂纹。2试验结果反应器规格5500mm/42500mmx84mm/2.1化学成分测试49mm,管板材质SA508Gr4NCL1,壳程主体材在B号试样上取样,分别对壳程、管板和焊质SA543 ype B CL1,反应器和冷却器壳程设计缝金属进行化学成分测试。壳程管板及焊缝金压力分别为:6.71和3.69MPa;实际操作压力为属的化学成分均满足相关标准的要求,见表1。小于等于4.28和2.05MPa;壳程设计温度为2882.2金相分析和275℃;实际操作温度小于255和216℃,壳2.2.1金相试样取样及形貌程工作介质为锅炉水(水中加磷酸三钠作为除从试样A和试样B上各截取一块焊接接头垢剂)。该文针对C环焊缝开裂情况进行了全厚度试样进行金相分析,金相观察面为横截面。分析。观察试样宏观形貌,发现样品A试样中有两条宏观可见裂纹,一条长约6.5mm(裂纹1)、另一条相关试验情况长约10.5mm(裂纹2),还发现一处宏观未见的从出现裂纹的焊缝部位切取两块试样对其进微裂纹和一处宏观可见的焊接缺陷。而样品B行测试和分析。试样中未见有裂纹。(1)根据送检的A和B两个试样,选取1块分别对管板壳程以及焊缝金属进行化学成分2.2.2裂纹和缺陷微观特征从样品A试样上选取金相分析部位,分析位分析;(2)从试样A和试样B上各截取一块焊接接置及编号见图头全厚度试样进行金相分析;(3)在A和B试样上各选取1段进行金相分收稿口期202-03-21;修改稿收到日期:2012-04-23作者简介:胡国勇,高级工程师,主要从事石化建设工程质量析,观察横截面、裂纹形貌、各部位显微组织;监督质嵊监察和质监测工作。联系电话:010-598405,(4)在选取的金相试样横截面上进行维氏硬E-mail:hueysinopec.com。机械设备炼油技术与工程2012年6月表1样品的化学成分Table I Chemical composition of sampleCCr壳程0.1771.7702.3100.3730.008ASME SA543Type B CI标准0.40≤0.02≤0.02≤0.03管板0.1840.003ASME SA5080.45Gr4NCL1标准≤0.2302≤0.023.900.60≤0.03焊缝金属0.0720.371.202.40MGS≤0.120.30≤0.03≤0.030.10≤0.353形貌观察将试样A中打开的裂纹选取其中一段,进行微观形貌观察。整个断口长约15mm,裂纹由内壁起源,断口上有大量裂纹,断口大致分3种形貌:内壁处的细晶粒区、冰糖状晶粒区和粗大枝晶状区。2,3和9位置处有泥状腐蚀结垢物,沿着裂纹扩展方向上从2~7位置处均匀结晶物,断口可观察到焊接未熔合现象。起裂处未发现疲劳辉纹,见图2。内表面图1金相观寮取样部位Fig. 1 Metallographic observation sampling site由图1可知,1号部位裂纹(裂纹1)从内壁打底焊道的焊缝热影响区处启裂,并基本沿纵向(壁厚方向)扩展,穿过正常焊道的熔合线,并继续扩展至正常焊道内。裂纹下部处于内壁打底焊道的焊缝热影响区处,并穿晶扩展,主裂纹附近可见有次生裂纹存在;裂纹中部具有单通道穿晶扩图2试样A裂纹人为打开断口形貌展特征;裂纹沿壁厚方向扩展至正常焊道热影响Fig 2 Open fracture morphology of erack in sample A区时转变为沿晶扩展特征,并继续扩展至正常焊3.1硬度测试结果道内。硬度测试结果如下2号部位微观裂纹具有典型的沿焊缝金属柱(1)A和B试样焊缝打底焊道的焊缝金属硬状晶间开裂的特征,为热裂纹特征;3号部位度低于填充焊道硬度,焊缝金属最高硬度达到裂纹(裂纹2)主要位于正常焊道内,其中部的裂382.0HV10;纹张口大于上部和下部,裂纹的下尖端已穿过焊(2)A和B试样焊缝两侧熔合线和热影响区缝金属的熔合线,止于热影响区并有分叉;其裂纹硬度高,最高处硬度已达到4663HV10。上尖端位于焊缝金属内,也有分叉。裂纹中部为3.2能谱分析穿晶和沿晶的混合型特征,主裂纹附近可见有次微区成分主要为氧和铁元素,局部发现有磷生裂纹存在;裂纹下部尖端处于焊缝热影响区粗元素存在,见表2。晶区中,并沿晶扩展。裂纹附近粗晶区组织中局部可见有马氏体存在;裂纹上部尖端位于焊缝金4讨论属中并呈沿晶、分叉特征;4号部位的焊接缺陷为4.1腐蚀介质体积性缺陷,应该是夹渣类缺陷。磷酸三钠能与水中容易结成锅垢的可溶性钙第42卷胡国勇乙二醇反应器泄漏原因分析机械盐、镁盐等起作用,生成不溶性的磷酸钙磷酸镁缺陷残余裂纹扩展的证据,焊接缺陷在裂纹扩展等沉淀物悬浮于水中所以使锅炉不结锅垢,因此过程中应该起到了一定作用。常使用磷酸三钠作为锅炉水的除垢剂。4.4硬度值的影响丧2能谱分析结果从碱脆的研究来看,硬度对开裂没有影Table 2 Analysis result of EDS w,%响,如果此次应力腐蚀属于钠离子腐蚀,减小点b点点d点硬度不会减缓腐蚀但高的硬度对焊接接头的断裂韧性有影响29,8621.4439734.433.53同时,如此高的硬度,不排除焊缝屮存在氢致开裂的可能。9,444.5焊后热处理60.7067.3342.4453.36美国设计公司设计该设备时依据是:SA543N的质量分数较高(2.25%-4.00%),有较高的耐钠应力腐蚀能力,同时 ASME sectionⅧDivl和2研究表明在磷酸根离子控制p值的水中,中不要求也不禁止SA543的焊后热处理。因此阻止了锅炉的腐蚀速度磷酸处理的锅炉水,减少在制造时采取预热、后热及控制层间温度来避免了水中自由钠离子2。焊接接头的应力问题。所以,该设备制造时没有对于碳钢与低合金钢的钠离子腐蚀有很多对其进行焊后热处理。试验和研究,如果发生了钠离子腐蚀,会有NBOH但如果SA345与锅炉水形成应力腐蚀的组在热交换器上浓缩在内表面应该检测到钠兀素,合时,焊后热处理便成了强制性要求。事实上,在内表面和裂纹通道上没有检测到钠元鉴于目前已经使用的反应器在现场热处理会素的存在3有加热不均匀、内部的其它元件可能会过烧,已经能谱分析表明在裂纹通道上,有少量磷存在,存在的显微应力腐蚀裂纹会由于加热而扩展等「门说明在用磷酸三钠处理水时,就已经发生了应力题,不宜在现场进行热处理腐蚀,停止使用磷酸三钠后,裂纹继续扩展直到外表面论4.2残余应力的影响(1)钢材的化学成分符合要求。焊接后不进行焊后消除应力热处理时,焊接(2)没有疲劳痕迹,可以排除疲劳或腐蚀疲接头会残留很大的应力。如果存在应力腐蚀的介劳的可能。质所研究的焊接接头的残余应力足够引起应力(3)断面上发现的微裂纹没有向内壁开口,腐蚀。而在应力相对较小的母材上,没有产生裂与使用介质无关并且沿枝晶开裂,可以推断为焊纹。说明残余应力在开裂中起了决定性的作用。接时产生的热裂纹。4.3焊接缺陷的影响(4)断面上发现的体积性缺陷没有开裂的在焊接接头的断面上,发现一处热裂纹,一处迹象焊接的体积性缺陷。该裂纹缺陷由于过于细小,(5)裂纹1和裂纹2由于断面覆盖泥状腐蚀应属于不可检出缺陷;体积性缺陷由于体积较小,结垢物,主要为氧和铁元素局郃发现有磷元素存也不易检出,且属于容许缺陷。从显微金相判断,在,裂纹形貌也符合应力腐蚀开裂的特征,属于应目前这两个缺陷都没有发展,可长期使用力腐蚀开裂。事实上,焊缝中或多或少存在不可检出或容(6)焊接缺陷和焊接接头的高硬度对应力腐许的焊接缺陷,不会危及设备的安全使用,但在一蚀开裂有一定彰响。个焊缝断面发现两处显微缺陷的情况却少见。7)SA345用于制造水冷却器时,应进行焊裂纹1和裂纹2的表面有腐蚀产物,是应力后热处理。腐蚀开裂。裂纹起源于焊接接头的薄弱部位;裂(8)目前的反应器应该消除内表面已存在缺纹断口面发现未熔合等缺陷,可以作为焊接原始陷,并停止使用磷酸三钠。炼油技术与工程2012年6月参考文献出版社,2003:1941981]田燕焊接区断口金相分析[M]北京:机械工业出版社,[4]曾荣昌韩恩厚.材料的腐蚀与防护[M].北京:化学工业出板社,2007:92972]龚敏金属腐蚀理论及腐蚀控制M].北京:化学工业出版[5]肖纪美应力作用下的金属腐蚀[M].北京:化学工业出版社,2009:18688社,1990:5787[3]任凌波任晓蕾压力容器腐蚀与控制[M]北京:化学工业(编辑寇岱清)Cause analysis of leaking in glycol reactorSINOPEC Engineering Department, Beijing 100728)Abstract: The cracks appeared in the ring welds of SA543 tubes which led to steam leakreactor of a glycol unit after 20 months' operation. The chemical composition analysis, metallographic exami-nation, hardness testing and stress corrosion cracking sensitivity analysis of samples at the cracked weldsvealed that the chemical compositions met the requirement and the hardness was high. The metallographie ex-amination found a crack 6. 5 mm long and a crack 10. 5 mm long. EDS energy spectrum analysis showed thatthe chemical compositions of micro-area were mainly oxygen and iron, and phosphorus in some areas. Thecause analysis concluded that the corrosion cracking was the culprit of cracking of welds of reactor in additionto the application of trisodium phosphate fouling inhibitor, welding residue stress, welding defects and highhardness of welding joints. When $A543 steel is used in fabrication of water cooler, post weld treatment is re-ired and trisodium phosphate can not be used as fouling inhibitorKey Words: reactor, cracks, metallographic analysis, stress corrosion国内外动态日美合作制作第二代生物乙醇据∫解伊藤忠商事与持有先进技术的美国生物高邦等公司纷纷与持有高技术的公司合作,准备试生产。科技公司“ Zea chem Inc公司”(位于美国科罗拉多州)合I日矿日石能源公司联合三菱重工等6家日本企业在国作,开始启动非粮食作物的第二代生物乙醇生产内以牧草作原料做示范,双日商社和日立造船计划在中此次合作,采用伊藤忠商事向美公司部分注资,市场国开始示范并着手进入实用阶段。伊藤忠商事与巴西的开拓分别进行的方式,亚洲市场开拓主要由伊藤忠负贲,谷物出门商邦吉合作,正在推进甘蔗为原料的生物乙醇重点区域选在中国东南亚南美和澳大利亚等并计划与生产和销售,随旺盛的市场需求决定加入生产第二代生当地化工厂合资合作,约在2014年建成一个投资300×物乙醇的行列。10RMBY、年产约400m3的乙醇生产厂所谓第二代生物乙醇,即用与葡萄糖结构相同的纤据经合绢织(0ECD)和联合国粮食开发署(FA0)预维素为原料生产的乙醇,可用桉树、白杨等木材及稻草、测,世界乙醇产量至2013年底将增长7%,今后将继续以麦草等。乙醇的转换效半低,低成本生产是一道难题,近3%至4%的速度增长,近期粮食作物价格比1990年增加来由于发酵所需酶的研究成果倍出,除甘蔗外,选择那些了近3倍用非粮食作物生产乙醇非常令人期待。适合当地气候的植物作为乙醇生产原料,更容易在世界预计第二代乙醇的产量2020年将占整体乙醇的各地建立生产基地。10%左右,为此,皂家荷兰壳牌英国BP、美国化学大享杜(漆萍摘自国家石油化工网)