摘 要:某油田末端处置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, 摘用理化查验、有限元等办法对其停止阐发。成果表白:塔体钢板素材化学成分中的铬元素含量低 于原则值,其耐蚀性降低;冷弯处置使钢板组织从头发作马氏体改变,素材的硬度增加,素材表层受 到弯曲拉应力,内部的低温介量增加了素材开裂的风险;塔体外外表存在多种加载应力,以及由硫 化物、氯离子形成的侵蚀缺陷,其使塔体钢板发作应力侵蚀开裂。
关键词:脱乙烷塔;奥氏体不锈钢;应力侵蚀;开裂
中图分类号:TG142.71 文献标记码:B 文章编号:1001-4012(2022)04-0043-06
某 油 田 末 端 处 理 厂 轻 烃 区 脱 乙 烷 塔 塔 体 高 28.6m,下 段 曲 径 为 1 500 mm,上 段 曲 径 为 1000mm,塔 体 厚 度 为 14 mm,设 计 压 力 为 2.0MPa,设想温度为-65 ℃或10 ℃,塔体钢板材 料为06Cr19Ni10钢,该塔为露天设想,不断表露于 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 拆 与 用 保 温 材 料 覆 盖。 2014年,对塔体停止查抄,拆除保温素材后,发现 保温棉发黄,塔体外壁湿润,部门保温层部位存在 雨水储蓄积累。对 塔 体 外 壁 涂 层 进 行 看 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,且与多处侵蚀位置相吻合,颠末统 计,裂纹呈现鄙人段曲径为1500mm 的 塔 体 上, 大都集中在 下 封 头 往 上 的 第 三 个 筒 节 上,第 四 筒 节上仅有少量裂纹。
经进一步查抄,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 有裂纹萌发,此中母材位置的裂纹较多,裂纹最长约 800mm,裂纹深度到达10mm。
为了查找钢板的开裂原因,摘用理化查验、有限 元等办法对其停止阐发。
1 理化查验
1.1 宏看和微看阐发
拔取第五筒节试样上的裂纹停止宏看看察,其 宏看描摹如图1所示,图中圆圈标注位置有多条浅 裂纹。摘用ZeissEVO18型扫描电镜对浅裂纹的微看描摹停止看察,其微看描摹如图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 毗连。
图1中裂纹 A 起 源 于 凹 坑 处,分 别 向 两 边 扩 展,裂纹 A 的微看描摹如图3所示。裂纹 B的微看 描摹如图4所示,由图4可知,部分裂纹深度较深, 且外表粗拙,内部有明显大颗粒同化物,同时部分有 较为致密的物量。
对第七筒节某处裂纹停止断口宏看阐发(见图 5),可见裂纹区断口颜色较深,失往金属光泽,呈典 而无裂纹区域仍然有金属光泽。
对该裂纹区断口停止微看描摹阐发,发现其为 典型的解理描摹 [见图6a)],而对无裂纹区域扯破 后看察断口为韧窝描摹[见图6b)]。
1.2 化学成分阐发
进一步对第五筒节裂纹区域的化学成分停止分 析,发现多处位置的碳元素和氧元素含量较高,碳元 素含量部分更高为93.48%,且均含有必然量的钠、 氯和硫元素;拔取外表的凹坑停止成分阐发,同样发 现碳元素和氧元素含量较高,且均含有必然量的钠、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;对基体停止成分阐发,发现 碳元素和氧元素的含量较低,且未发现钠、氯和硫元 素。揣度裂纹位置及凹坑处均存在侵蚀产品,钠、氯 和硫元 素 均 来 自 于 海 洋 大 气 盐 雾 环 境 及 雨 水 等 介量。
对第七筒节、第八筒节钢板取样停止化学成分 阐发,别离编号为7 # 和8 # ,摘用曲读光谱仪对其进 行化学成分阐发,成果如表1所示,得出铬元素含量 未到达原则 GB/T24511—2009 《承压设备用不锈 钢钢板及钢带》对304不锈钢的要求,那将会影响材 料的耐蚀性能[1]。
1.3 硬度测试
将7 # ,8 # 试样颠末打磨、抛光后,从外表起头每 隔0.4mm 停止一次维氏硬度测试(HV10),压痕位 置如图7所示,共测试27个点,成果如表2所示,可 知契合 GB/T24511—2009原则要求(≤210HV)。
1.4 金相查验
摘用Zeiss倒置光学显微镜对7 # ,8 # 试样停止 金相查验,检测原则为 GB/T13298—2015《金属显 微组织查验办法》,检测成果展现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)。奥氏体钢钢板在外外表遭到摩擦后,里面的新 组织将从头发作马氏体改变,那会增大素材的硬度,假设素材表层处于弯曲拉应力形态,且内部为低温 介量,就增加了素材开裂的风险[2-3]。
别的,对两个试样的显微组织停止阐发,8 # 试 样未发现明显裂纹,而7 # 试样多处可见黑色区域, 揣度为微裂纹(见图9)。
1.5 拉伸试验
从钢板的横向与纵向别离取样,摘用 Z600 型 双立柱全能试验机停止拉伸试验,检测成果(见表 3)契合 GB/T24511—2009原则要求。
1.6 晶间侵蚀试验
别离对7 # ,8 # 试样停止取样,开展晶间侵蚀试 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。
试验办法参照 GB/T4334—2020《金属和合金 的侵蚀 奥氏体及铁素体-奥氏体(双相)不锈钢晶间 侵蚀试验办法》原则,摘用丙酮、乙醇对试样停止脱 脂处置,试验时间为16h,试验完成后对所有试样 停止弯曲处置,弯曲压头曲径为5mm。成果展现 所有试样均未呈现晶间侵蚀裂纹。
2 有限元阐发
为研究塔体钢板呈现裂纹的原因,拟摘用数值模仿办法对钢板所受应力及其应力散布停止计算。 因为脱乙烷塔进口流体温度为-55~-20 ℃,而其 底部重沸器内介量温度为72~76℃,其内部工做温 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。因而,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 脱乙烷塔塔体模子
摘用 FLUENT 流体模仿软件对塔体内流场进 行模仿,得到内部流场的温度散布与压力散布。再 将流场温度计算成果代进到稳态热力学计算模块 Steady-StateThermal中,计 算 得 到 塔 板 的 温 度 分 布。最末将计算得到的流场压力与塔板温度代进到 静力学计算模块StaticStructural中,考虑塔板的重 力与外界风载荷,最末计算得到塔板的应力散布。
参考脱乙烷塔设想图纸信息所成立的脱乙烷塔 塔体模子(见图10),N6为重沸器出口,M2与 M3 为人孔。根据查抄成果,塔板裂纹次要呈现在 N6 与 M2之间。建模塔体总高度为28.5m,塔体下端 圆柱外曲径为1528 mm,壁厚为14 mm。锥体上 部外曲径为1028mm,壁厚为14mm。N6与 M2 轴线竖曲间隔为5650mm,M2与 M3的圆柱轴线 之间垂曲间隔为5400mm。
2.2 温度场模仿阐发成果
塔内流场内部温度散布如图11所示,塔体温度 散布如图12所示,塔体温度为-35~-20 ℃,下段 温度高于上段温度,那是因为上段气体进口温度较 低,而下端有重沸器停止加热。在塔体呈现裂纹的 N6至 M2之间,温度约为-25 ℃。
2.3 塔体应力散布模仿成果
将塔体温度计算成果代进到静力学计算模块 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,在那几个力的配合感化下,计算塔体的应力散布。载荷施加情状 如图13~16所示。
塔体应力散布成果如图17所示,除往在管孔等位 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逐步下降到70MPa,而在 N2至 M3区域,塔体应力为50MPa~100MPa。
3 综合阐发
塔体素材为 06Cr19Ni10 奥 氏 体 不 锈 钢,其 对 卤离子较为灵敏,当情况中的硫化物及氯离子等吸 附堆积到塔体外表时,塔体外表的钝化膜会被毁坏,从而构成亚稳态点蚀坑,而塔体所处的海洋大气环 境与侵蚀性离子配合为侵蚀电化学过程供给了电解液,涂层老化构成微裂纹而表露出的金属与大面积 的钝化区构成大阴极、小阳极的电化学反响[4-5],从 而招致了点蚀坑的长大。当点蚀坑长大到必然尺寸 后,在外外表较大的加载应力感化下,点蚀坑底部应 力集中处萌发裂纹,在有害离子的协同感化下发作 了应力侵蚀开裂[6-7]。
4 结论及定见
(1) 材 料 中 铬 元 素 的 含 量 略 低 于 GB/T 24511—2009原则对304不锈钢的要求,会对素材 的耐蚀性形成倒霉影响。
(2)奥氏体不锈钢对卤离子较为灵敏,钢板冷 弯处置招致组织在遭到摩擦时从头发作马氏体转 变,素材的硬度增加,且内部为低温介量,那就增加 了素材的开裂风险。
(3)塔体钢板开裂的次要原因是塔体外外表存 在多种加载应力、硫化物,以及氯离子形成的侵蚀缺 陷,那些因素配合感化形成应力侵蚀开裂。
(4)塔体钢板在建造期间,应严厉停止建造过 程量量监视,产物到货后应严厉施行抽查验收。
(5)在素材建造与施工过程中,应严厉根据卷造工艺守则要求停止钢板冷弯处置,必需使筒节和 滚筒轴线平行,以避免发作扭斜;掌握好筒体的椭圆 度和上辊的进给量,使其不产生过卷现象。
参考文献:
[1] 胡丽华,张雷,许立宁,等.Cr含量对低合金耐蚀管线 钢焊接接头组织和性能的影响[J].素材热处置学报, 2010,31(3):92-96.
[2] 张辉,卢忠铭,李茂东,等.石化重催安装平安阀弹簧 断裂原 因 分 析 [J].理 化 检 验 (物 理 分 册),2019,55 (2):129-132.
[3] 王宝君,刘燕,蔺晓亮,等.82B盘条拉拔横裂纹断裂 阐发[J].物理测试,2019,37(4):35-38.
[4] 卿建华,王金鹿.大榭岛油库5000m 3 污水调剂罐腐 蚀穿孔原因[J].侵蚀科学与防护手艺,2003,15(6): 372-373.
[5] 李俊俊,刘峰.换 热 器 管 束 腐 蚀 穿 孔 失 效 原 因 分 析 [J].辽宁石油化工大学学报,2012,32(3):54-57,62.
[6] 刘传森,李壮壮,陈 长 风.不 锈 钢 应 力 腐 蚀 开 裂 综 述 [J].外表手艺,2020,49(3):1-13.
[7] 李卫华,燕辉,马连宝.316L 换热管断裂失效原因分 析[J].石油和化工设备,2021,24(2):49-54,60.
文章来源 素材与测试网 期刊论文 理化查验－物理分册 58卷 4期 (pp:43-48)