＊陳 俊

（中海石油舟山石化有限公司 浙江 316015）

某公司焦化單元分餾塔頂循壁板在生產(chǎn)期間出現(xiàn)腐蝕穿孔，大修期間對(duì)該段筒節(jié)進(jìn)行更換，更換完成后按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)行水壓試驗(yàn)，試驗(yàn)壓力0.8MPa，試壓至0.5MPa時(shí)，分餾塔油氣進(jìn)料分布器附件塔壁開(kāi)裂。開(kāi)裂部位在塔底部上方約10m處，此處操作溫度為420℃，如果在生產(chǎn)期間開(kāi)裂，無(wú)疑將帶來(lái)火災(zāi)、爆炸等不可接受的后果，同時(shí)分餾塔塔壁開(kāi)裂是否對(duì)塔體強(qiáng)度產(chǎn)生影響，該分餾塔是否還具有修復(fù)價(jià)值，是否能滿足安全生產(chǎn)的要求，都需要我們對(duì)開(kāi)裂的原因進(jìn)行分析，從而采取下一步措施。

1.分餾塔基本情況

分餾塔是焦化裝置的重要設(shè)備之一，作用是將焦炭塔頂過(guò)來(lái)的油氣進(jìn)行分餾，獲得焦化干氣、汽油、柴油、蠟油、重蠟油產(chǎn)品。該塔塔高67m，下部塔體直徑6m，上部塔體直徑5.2m，塔內(nèi)介質(zhì)為油氣，設(shè)計(jì)壓力0.43MPa，操作壓力0.25MPa，頂部操作溫度180℃，底部操作溫度420℃，塔體材料為16MnR+0Cr13Al（δ=24mm+3mm）（δ=20mm+3mm）（δ=18mm+3mm）三種規(guī)格的復(fù)合鋼板。設(shè)計(jì)圖紙規(guī)定的無(wú)損檢測(cè)要求為：無(wú)損檢測(cè)的比例為20%，要求單條焊縫的檢查最少比例20%，焊縫接頭系數(shù)為0.85，制造完成后按照設(shè)計(jì)要求完成水壓試驗(yàn)，水壓試驗(yàn)壓力0.8MPa，水壓試驗(yàn)合格并有記錄。

2.分餾塔檢修情況

因運(yùn)行期間分餾塔頂循集油箱塔壁腐蝕穿孔泄漏，利用大修機(jī)會(huì)對(duì)分餾塔頂循集油箱筒節(jié)進(jìn)行更換。分餾塔筒節(jié)更換完成后，焊縫檢測(cè)合格，按設(shè)計(jì)要求分餾塔水壓試驗(yàn)壓力為0.8MPa（G）。

上水期間施工單位及相關(guān)設(shè)備人員持續(xù)觀測(cè)塔基礎(chǔ)的沉降情況，未發(fā)現(xiàn)異常；分餾塔頂放空冒水，上水結(jié)束，上水約1700m3；施工單位用打壓泵對(duì)分餾塔進(jìn)行升壓，升壓速度0.1MPa/min，塔壓每上升0.1MPa，保壓檢查各密封點(diǎn)、塔體焊縫、接管等部位是否有泄漏，正常后繼續(xù)升壓；分餾塔塔頂壓力升壓至0.5MPa，確認(rèn)壓力無(wú)誤后，準(zhǔn)備再次升壓時(shí)，分餾塔原料上進(jìn)料分布器附近塔體從焊縫處裂開(kāi)，塔內(nèi)1700m3水瞬間下泄。經(jīng)過(guò)后續(xù)現(xiàn)場(chǎng)查看縱向裂紋長(zhǎng)度約6m，橫向裂紋寬度約2m，塔內(nèi)構(gòu)件塌陷。

3.開(kāi)裂原因分析

(1)塔壁開(kāi)裂處情況檢查

分餾塔開(kāi)裂部位如圖1所示，A33整條縱焊縫破裂并帶動(dòng)上下兩塊壁板受損開(kāi)裂，裂紋長(zhǎng)度約6m，上下壁板裂紋尾端橫向開(kāi)裂，裂紋寬度約2m，上壁板B31橫向焊縫處，也出現(xiàn)裂紋。開(kāi)裂處內(nèi)部襯板檢查完好，無(wú)鼓包、腐蝕孔洞等缺陷。從現(xiàn)場(chǎng)（圖1現(xiàn)場(chǎng)照片）來(lái)看，整條縱焊縫全部裂開(kāi)，裂紋從縱焊縫向上下兩塊壁板延伸，應(yīng)該是縱焊縫先出現(xiàn)裂紋后，內(nèi)部大量水壓從裂紋處突破，導(dǎo)致分餾塔塔壁撕裂。

圖1 開(kāi)裂部位示意圖及現(xiàn)場(chǎng)照片

(2)開(kāi)裂處工藝條件

斷裂處為分餾塔原料上進(jìn)料分布器附近，正常生產(chǎn)時(shí)，介質(zhì)為焦炭塔過(guò)來(lái)的油氣，溫度約420℃，從制造完成投用至開(kāi)裂已運(yùn)行14年，該處是否存在塔體母材16MnR高溫蠕變需要進(jìn)一步分析驗(yàn)證。頂部試壓至0.5MPa時(shí)，加上液柱壓力的附加值，裂開(kāi)處此時(shí)承受的壓力為0.9MPa。

(3)對(duì)塔開(kāi)裂處焊縫及壁板進(jìn)行采樣分析

為了對(duì)分餾塔開(kāi)裂原因進(jìn)一步分析，我們對(duì)焊縫及附近塔壁壁板采樣進(jìn)行了宏觀檢查、金相檢驗(yàn)、力學(xué)性能試驗(yàn)，采樣位置見(jiàn)圖2。

圖2 分餾塔壁板采樣示意圖

①對(duì)塔壁開(kāi)裂處采樣進(jìn)行宏觀觀察（圖3）：樣板1斷面內(nèi)外壁均存在剪切唇，對(duì)試樣1相對(duì)焊縫軸線垂直的截面拋光腐蝕后，可以觀察到基層焊縫由三層焊道組成，中間焊道厚度約10mm，且焊縫截面存在一處氣孔（見(jiàn)樣板1數(shù)碼放大）；樣板2在主斷面邊緣還存在一條裂紋，該裂紋從內(nèi)壁起裂，向外壁延伸，整體成直線，無(wú)明顯分支（見(jiàn)樣板2數(shù)碼放大）。

圖3 宏觀觀察

②在20℃環(huán)境溫度下，對(duì)進(jìn)行金相分析的試樣進(jìn)行拋光，經(jīng)過(guò)4%硝酸酒精腐蝕后，在蔡司Axio Vert.A1金相顯微鏡下顯示試樣的金相組織。

對(duì)壁板母材截面進(jìn)行金相微觀觀察（圖4），組織為鐵素體+珠光體+少量碳化物，其中部分碳化物沿晶分布，珠光體呈帶狀分布，有輕微球化現(xiàn)象。

圖4 母材截面

壁板焊縫橫截面相關(guān)金相圖（圖5），可以看出基層焊縫中心組織為先共析鐵素體沿晶界析出，晶內(nèi)為針狀鐵素體和少量珠光體，層間組織為鐵素體和珠光體，覆層焊縫組織為奧氏體+少量鐵素體和碳化物，覆層熱影響區(qū)組織為鐵素體和沿晶界析出的低碳馬氏體。

圖5 焊縫橫截面

圖6為壁板主斷面相關(guān)金相圖，從中可以看出主斷面邊緣分支裂紋，從內(nèi)壁起裂，裂紋覆層側(cè)端部基材組織存在分支的沿晶裂紋，另一側(cè)覆層組織有較多的沿晶裂紋，熱影響區(qū)也發(fā)現(xiàn)沿晶開(kāi)裂的現(xiàn)象，裂紋在母材中傳播主要以沿晶為主，裂紋底部存在塑性變形。

圖6 主斷面

從開(kāi)裂的壁板處采取的5塊樣板（采樣位置見(jiàn)圖2）進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)分析，結(jié)果見(jiàn)表1。從試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，幾塊試樣在0℃沖擊試驗(yàn)，440℃溫度下進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，180°彎曲試驗(yàn)均合格，壁板材質(zhì)從力學(xué)性能來(lái)看在440℃的溫度下保持良好的力學(xué)性能。

表1 壁板試樣力學(xué)性能試驗(yàn)

(4)綜合分析

通過(guò)上述的工藝條件、宏觀觀察、金相分析、材料力學(xué)性能試驗(yàn)可知：

①?gòu)牧芽诜治鰜?lái)看，開(kāi)裂處只有3層焊道，中間層10mm，對(duì)于厚度（24+3）mm的復(fù)合鋼板焊接，焊接時(shí)要采用大電流、高線能量才能滿足。而在復(fù)合鋼板焊接要求中，應(yīng)采用小電流、快速焊、小線性能量、多焊道的焊接工藝。顯然制造階段采用的焊接工藝偏離了焊接要求。

②塔體材質(zhì)為16MnR+0Cr13Al，屬于鐵素體-馬氏體系復(fù)合鋼板，覆層為鐵素體-馬氏體系不銹鋼，基層為珠光體鋼。此類復(fù)合鋼板在焊接時(shí)，基層與覆層分別進(jìn)行，基層與覆層在化學(xué)成分、力學(xué)性能上存在較大的差異，屬于異種材料之間的焊接，而且基層與覆層所使用的焊接材料也存在較大差異，因此焊接時(shí)稀釋作用強(qiáng)烈，再加上當(dāng)時(shí)焊接時(shí)大電流、高熱量增大了沿晶微裂紋產(chǎn)生的傾向。根據(jù)金相分析，覆層熱影響區(qū)組織有沿晶界析出的低碳馬氏體組織，說(shuō)明當(dāng)時(shí)焊接時(shí)存在急冷情況，導(dǎo)致脆硬的馬氏體組織沿晶界偏析，造成沿晶微裂紋的產(chǎn)生。而對(duì)主斷面的金相分析，也驗(yàn)證了沿晶微裂紋的存在。

③沿晶微裂紋屬于微觀裂紋，只有在實(shí)驗(yàn)室顯微分析才能被發(fā)現(xiàn)，正常射線拍片不能發(fā)現(xiàn)，因此，在定期檢驗(yàn)過(guò)程中未能發(fā)現(xiàn)沿晶微裂紋的存在。而沿晶微裂紋在日常的溫度壓力交變等情況下，晶界間微裂紋連貫成線逐步擴(kuò)展。

④根據(jù)采樣試塊拉伸、彎曲、沖擊試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，母材在設(shè)計(jì)溫度（440℃）下機(jī)械性能保持良好，排除因高溫蠕變導(dǎo)致塔體焊縫開(kāi)裂。

⑤由于分餾塔上、中、下部設(shè)計(jì)溫度差異很大，材料在不同溫度下許用應(yīng)力差異較大，如按照制造時(shí)的水壓試驗(yàn)壓力進(jìn)行試壓，無(wú)疑會(huì)對(duì)已經(jīng)使用14年整塔結(jié)構(gòu)造成不必要的傷害，因此水壓試驗(yàn)是否需要按照原制造時(shí)的壓力進(jìn)行需進(jìn)行重新計(jì)算。

4.整改與預(yù)防措施

（1）為防止分餾塔焊縫繼續(xù)開(kāi)裂影響塔體強(qiáng)度，對(duì)分餾塔塔體裂紋進(jìn)行止裂加固及塔體整體加固。

（2）在保證安全的情況下，將損失降到最低，委托設(shè)計(jì)院按照對(duì)分餾塔開(kāi)裂的三層筒節(jié)壁板更換方案進(jìn)行設(shè)計(jì)核算，施工藍(lán)圖出來(lái)后，檢修施工單位按照設(shè)計(jì)藍(lán)圖進(jìn)行施工。

（3）為了保證分餾塔能安全運(yùn)行，對(duì)分餾塔所有焊縫進(jìn)行100% RT檢測(cè)，并對(duì)有缺陷的焊縫進(jìn)行修復(fù)。

（4）委托設(shè)計(jì)院根據(jù)實(shí)際情況重新對(duì)分餾塔水壓試驗(yàn)壓力進(jìn)行核算，施工完成后并按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)行水壓試驗(yàn)。

（5）在生產(chǎn)運(yùn)行期間，加強(qiáng)對(duì)分餾塔監(jiān)控，平穩(wěn)操作，在下一檢修周期對(duì)該分餾塔進(jìn)行更換。

5.結(jié)論

通過(guò)對(duì)塔體開(kāi)裂處焊縫及壁板進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果說(shuō)明分餾塔進(jìn)料段焊縫開(kāi)裂的主要原因是在建造階段未嚴(yán)格執(zhí)行焊接工藝要求，導(dǎo)致焊縫及熱影響區(qū)存在沿晶微裂紋，沿晶微裂紋在日常的溫度壓力交變等情況下，晶界間微裂紋連貫成線逐步擴(kuò)展。而在檢修完成后，進(jìn)行水壓試驗(yàn)時(shí)該處承受的壓力為0.9MPa，分餾塔壁板焊縫沿晶微裂紋在該壓力下突然擴(kuò)大，造成分餾塔進(jìn)料段塔壁壁板沿焊縫撕裂。