分享：轻烃区脱乙烷塔塔体钢板开裂原因
摘 要:某油田终端处理厂轻烃区脱乙烷塔塔体钢板存在开裂现象,为了查找钢板的开裂原因, 采用理化检验、有限元等方法对其进行分析。结果表明:塔体钢板材料化学成分中的铬元素含量低 于标准值,其耐蚀性降低;冷弯处理使钢板组织重新发生马氏体转变,材料的硬度增加,材料表层受 到弯曲拉应力,内部的低温介质增加了材料开裂的风险;塔体外表面存在多种加载应力,以及由硫 化物、氯离子造成的腐蚀缺陷,其使塔体钢板发生应力腐蚀开裂。
关键词:脱乙烷塔;奥氏体不锈钢;应力腐蚀;开裂
中图分类号:TG142.71 文献标志码:B 文章编号:1001-4012(2022)04-0043-06
某 油 田 终 端 处 理 厂 轻 烃 区 脱 乙 烷 塔 塔 体 高 28.6m,下 段 直 径 为 1 500 mm,上 段 直 径 为 1000mm,塔 体 厚 度 为 14 mm,设 计 压 力 为 2.0MPa,设计温度为-65 ℃或10 ℃,塔体钢板材 料为06Cr19Ni10钢,该塔为露天设计,一直暴露于 海洋大 气 环 境 中。塔 的 运 行 压 力 为 16.5×10 5 ~ 17.0×10 5 Pa;塔顶出气口温度为-20~-12 ℃,气 体组分为乙烷(大于95%);回流温度为-20 ℃,下 段进料口温度为-35~-20 ℃。
根据建造 资 料,塔 体 钢 板 在 焊 接 之 前 经 过 冷 弯加工 处 理,建 造 完 成 后,设 备 经 过 射 线 检 测 合 格,且 对 外 表 面 进 行 涂 装 与 用 保 温 材 料 覆 盖。 2014年,对塔体进行检查,拆除保温材料后,发现 保温棉发黄,塔体外壁潮湿,部分保温层部位存在 雨水积聚。对 塔 体 外 壁 涂 层 进 行 观 察,发 现 某 些 部位涂层 剥 落,且 存 在 明 显 的 腐 蚀 迹 象。进 一 步 对脱乙烷塔 塔 体 钢 板 外 表 面 进 行 渗 透 检 测,发 现 多处存在裂纹,且与多处腐蚀位置相吻合,经过统 计,裂纹出现在下段直径为1500mm 的 塔 体 上, 多数集中在 下 封 头 往 上 的 第 三 个 筒 节 上,第 四 筒 节上仅有少量裂纹。
经进一步检查,塔体内壁未发现明显裂纹,塔体 裂纹均位于外壁,并沿轴向开裂,母材与焊缝位置均 有裂纹萌生,其中母材位置的裂纹较多,裂纹最长约 800mm,裂纹深度达到10mm。
为了查找钢板的开裂原因,采用理化检验、有限 元等方法对其进行分析。
1 理化检验
1.1 宏观和微观分析
选取第五筒节试样上的裂纹进行宏观观察,其 宏观形貌如图1所示,图中圆圈标注位置有多条浅 裂纹。采用ZeissEVO18型扫描电镜对浅裂纹的微观形貌进行观察,其微观形貌如图2所示,由图2 可知,浅 裂 纹 为 典 型 的 树 枝 状 形 貌,且 呈 间 断 式 连接。
图1中裂纹 A 起 源 于 凹 坑 处,分 别 向 两 边 扩 展,裂纹 A 的微观形貌如图3所示。裂纹 B的微观 形貌如图4所示,由图4可知,局部裂纹深度较深, 且表面粗糙,内部有明显大颗粒夹杂物,同时局部有 较为致密的物质。
对第七筒节某处裂纹进行断口宏观分析(见图 5),可见裂纹区断口颜色较深,失去金属光泽,呈典 而无裂纹区域仍然有金属光泽。
对该裂纹区断口进行微观形貌分析,发现其为 典型的解理形貌 [见图6a)],而对无裂纹区域撕裂 后观察断口为韧窝形貌[见图6b)]。
1.2 化学成分分析
进一步对第五筒节裂纹区域的化学成分进行分 析,发现多处位置的碳元素和氧元素含量较高,碳元 素含量局部最高为93.48%,且均含有一定量的钠、 氯和硫元素;选取表面的凹坑进行成分分析,同样发 现碳元素和氧元素含量较高,且均含有一定量的钠、氯和硫元素,坑内的碳元素含量远高于坑外的,铬元 素的含量远低于坑外的;对基体进行成分分析,发现 碳元素和氧元素的含量较低,且未发现钠、氯和硫元 素。推测裂纹位置及凹坑处均存在腐蚀产物,钠、氯 和硫元 素 均 来 自 于 海 洋 大 气 盐 雾 环 境 及 雨 水 等 介质。
对第七筒节、第八筒节钢板取样进行化学成分 分析,分别编号为7 # 和8 # ,采用直读光谱仪对其进 行化学成分分析,结果如表1所示,得出铬元素含量 未达到标准 GB/T24511—2009 《承压设备用不锈 钢钢板及钢带》对304不锈钢的要求,这将会影响材 料的耐蚀性能[1]。
1.3 硬度测试
将7 # ,8 # 试样经过打磨、抛光后,从表面开始每 隔0.4mm 进行一次维氏硬度测试(HV10),压痕位 置如图7所示,共测试27个点,结果如表2所示,可 知符合 GB/T24511—2009标准要求(≤210HV)。
1.4 金相检验
采用Zeiss倒置光学显微镜对7 # ,8 # 试样进行 金相检验,检测标准为 GB/T13298—2015《金属显 微组织检验方法》,检测结果显示7 # ,8 # 试样的显 微组织均为奥氏体 + 马氏体 + 少量铁素体(见 图 8)。奥氏体钢钢板在外表面受到摩擦后,里面的新 组织将重新发生马氏体转变,这会增大材料的硬度,如果材料表层处于弯曲拉应力状态,且内部为低温 介质,就增加了材料开裂的风险[2-3]。
另外,对两个试样的显微组织进行分析,8 # 试 样未发现明显裂纹,而7 # 试样多处可见黑色区域, 判断为微裂纹(见图9)。
1.5 拉伸试验
从钢板的横向与纵向分别取样,采用 Z600 型 双立柱万能试验机进行拉伸试验,检测结果(见表 3)符合 GB/T24511—2009标准要求。
1.6 晶间腐蚀试验
分别对7 # ,8 # 试样进行取样,开展晶间腐蚀试 验。7 # 试样内壁取样编号为1,2,3外壁取样编号 为4,5,6;8 # 试样内壁取样编号为7,8,9,外壁取样 编号为10,11,12。
试验方法参照 GB/T4334—2020《金属和合金 的腐蚀 奥氏体及铁素体-奥氏体(双相)不锈钢晶间 腐蚀试验方法》标准,采用丙酮、乙醇对试样进行脱 脂处理,试验时间为16h,试验完成后对所有试样 进行弯曲处理,弯曲压头直径为5mm。结果显示 所有试样均未出现晶间腐蚀裂纹。
2 有限元分析
为研究塔体钢板出现裂纹的原因,拟采用数值模拟方法对钢板所受应力及其应力分布进行计算。 由于脱乙烷塔入口流体温度为-55~-20 ℃,而其 底部重沸器内介质温度为72~76℃,其内部工作温 度较低且有较大温差;同时,脱乙烷塔的运行压力为 1.65MPa~1.70MPa。因此,在计算钢板的应力分 布时,除重力因素外,也需要考虑温度和内部压力对 塔体钢板应力的影响。
2.1 脱乙烷塔塔体模型
采用 FLUENT 流体模拟软件对塔体内流场进 行模拟,得到内部流场的温度分布与压力分布。再 将流场温度计算结果代入到稳态热力学计算�？� Steady-StateThermal中,计 算 得 到 塔 板 的 温 度 分 布。最终将计算得到的流场压力与塔板温度代入到 静力学计算�？镾taticStructural中,考虑塔板的重 力与外界风载荷,最终计算得到塔板的应力分布。
参考脱乙烷塔设计图纸信息所建立的脱乙烷塔 塔体模型(见图10),N6为重沸器出口,M2与 M3 为人孔。根据检查结果,塔板裂纹主要出现在 N6 与 M2之间。建模塔体总高度为28.5m,塔体下端 圆柱外直径为1528 mm,壁厚为14 mm。锥体上 部外直径为1028mm,壁厚为14mm。N6与 M2 轴线竖直距离为5650mm,M2与 M3的圆柱轴线 之间垂直距离为5400mm。
2.2 温度场模拟分析结果
塔内流场内部温度分布如图11所示,塔体温度 分布如图12所示,塔体温度为-35~-20 ℃,下段 温度高于上段温度,这是由于上段气体入口温度较 低,而下端有重沸器进行加热。在塔体出现裂纹的 N6至 M2之间,温度约为-25 ℃。
2.3 塔体应力分布模拟结果
将塔体温度计算结果代入到静力学计算�？� StaticStructural中,同时考虑塔体的重力、流场施 加给塔体的压力以及外界的风载荷,在这几个力的共同作用下,计算塔体的应力分布。载荷施加情况 如图13~16所示。
塔体应力分布结果如图17所示,除去在管孔等位 置的应力集中外,塔体整体应力为4MPa~192MPa, 塔体下端的应力要高于塔体上端的应力。在N6至 M2 区域,应力从150MPa逐渐下降到70MPa,而在 N2至 M3区域,塔体应力为50MPa~100MPa。
3 综合分析
塔体材料为 06Cr19Ni10 奥 氏 体 不 锈 钢,其 对 卤离子较为敏感,当环境中的硫化物及氯离子等吸 附沉积到塔体表面时,塔体表面的钝化膜会被破坏,从而形成亚稳态点蚀坑,而塔体所处的海洋大气环 境与腐蚀性离子共同为腐蚀电化学过程提供了电解液,涂层老化形成微裂纹而暴露出的金属与大面积 的钝化区形成大阴极、小阳极的电化学反应[4-5],从 而导致了点蚀坑的长大。当点蚀坑长大到一定尺寸 后,在外表面较大的加载应力作用下,点蚀坑底部应 力集中处萌生裂纹,在有害离子的协同作用下发生 了应力腐蚀开裂[6-7]。
4 结论及建议
(1) 材 料 中 铬 元 素 的 含 量 略 低 于 GB/T 24511—2009标准对304不锈钢的要求,会对材料 的耐蚀性造成不利影响。
(2)奥氏体不锈钢对卤离子较为敏感,钢板冷 弯处理导致组织在受到摩擦时重新发生马氏体转 变,材料的硬度增加,且内部为低温介质,这就增加 了材料的开裂风险。
(3)塔体钢板开裂的主要原因是塔体外表面存 在多种加载应力、硫化物,以及氯离子造成的腐蚀缺 陷,这些因素共同作用造成应力腐蚀开裂。
(4)塔体钢板在建造期间,应严格进行建造过 程质量监督,产品到货后应严格执行抽检验收。
(5)在材料建造与施工过程中,应严格按照卷制工艺守则要求进行钢板冷弯处理,必须使筒节和 滚筒轴线平行,以防止发生扭斜;控制好筒体的椭圆 度和上辊的进给量,使其不产生过卷现象。
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<文章来源> 材料与测试网 > 期刊论文 > 理化检验－物理分册 > 58卷 > 4期 (pp:43-48)>
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