常減壓裝置減壓爐出口熱電偶套管失效分析

摘要:通過對煉油常減壓裝置減壓爐出口一穿孔失效不銹鋼熱電偶套管材料的化學(xué)成分和金相組織的分析，結(jié)合高酸低硫原油的腐蝕特性,確定了不銹鋼熱電偶套管失效的原因是材質(zhì)不合格，導(dǎo)致工作溫度下形成碳化物析出，在介質(zhì)腐蝕和沖刷的綜合作用下穿孔泄漏，據(jù)此提出了升級材料的改進(jìn)措施和保證備件品質(zhì)的管理預(yù)防手段。
0前言
　　近年來國內(nèi)外煉廠的原料原油品質(zhì)普遍呈劣化趨勢,原油中的酸值和硫含量兩項指標(biāo)逐年升高，因此導(dǎo)致煉廠設(shè)備腐蝕加劇，給煉油裝置的安全帶來了很大的壓力。2008年3f月作者所在一套常減壓裝置減壓爐西支出口的熱電偶溫度指示波動較大，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)熱電偶套管已經(jīng)嚴(yán)重穿孔破損，該減壓裝置為此停工搶修。為確定熱電偶套管的失效原因，避免類似事故再次發(fā)生，對損壞熱電偶套管材料的化學(xué)成分和金相組織進(jìn)行了分析與觀察。
1熱電偶套管穿孔破壞狀況
　　失效熱電偶為2007年9月常減壓裝置大檢修時更換的，到穿孔失效時僅有6個月的時間。熱電偶套管材質(zhì)為0Cr18Ni9Ti不銹鋼，工作部位的溫度為400℃左右，介質(zhì)狀態(tài)為汽液兩相。破壞形態(tài)為套管底部穿孔，失效部位周圍的管壁厚度明顯減薄。減薄部位表面較為光滑，且有明顯凹坑(圖1a)，但另一面形狀和表面狀態(tài)良好(圖lb)。
 
　　仔細(xì)觀察管壁減薄部位與正常管體的交界處可發(fā)現(xiàn)明顯的深坑，如圖2所示。據(jù)此可以推斷，管壁減薄和深坑的形成是高溫液體沖刷和點蝕共同作用的結(jié)果。
 
2高酸低硫原油的腐蝕特性
　　原油中的環(huán)烷酸具有較強的腐蝕性,主要原因是能形成可溶性的腐蝕產(chǎn)物，腐蝕形態(tài)為帶銳角邊的蝕坑和蝕槽。環(huán)烷酸腐蝕有兩個加速腐蝕溫度區(qū)間，即270~280℃和350~400℃，而減壓爐出口的溫度恰好在第二個加速腐蝕溫度范圍內(nèi)。介質(zhì)的流速對腐蝕影響很大，環(huán)烷酸腐蝕的部位一般均發(fā)生在流速高的地方，流速增加，腐蝕速率增大。而硫化氫的腐蝕產(chǎn)物是不溶的，且多為均勻腐蝕，其腐蝕程度隨溫度的升高而加重。兩者的腐蝕作用同時進(jìn)行，若硫含量低于某一臨界值，腐蝕加重。原因是環(huán)烷酸破壞了硫化氫腐蝕產(chǎn)物，生成可溶于油的環(huán)烷酸鐵和H2S，使腐蝕能持續(xù)進(jìn)行。若硫含量高于臨界值，H2S能使金屬表面生成穩(wěn)定的硫化鐵保護(hù)膜，起到減緩環(huán)烷酸腐蝕的作用。因此，低硫高酸介質(zhì)比高硫高酸介質(zhì)中的腐蝕要嚴(yán)重。
3熱電偶套管材質(zhì)分析和金相組織觀察
　　為了查明熱電偶套管的失效除腐蝕環(huán)境因素外是否還有其他原因，我們對熱電偶套管的材質(zhì)狀況做了進(jìn)一步的分析。
3.1材質(zhì)成份分析
　　直讀光譜儀對熱電偶套管頂部、中間部分、損壞嚴(yán)重的底部套管材質(zhì)進(jìn)行了成分分析，結(jié)果列表1。
 
　　將熱電偶套管的主要合金元素含量與標(biāo)準(zhǔn)鋼號的成分進(jìn)行了比較，結(jié)果如圖2所示。
　　由表2的數(shù)據(jù)可以看出，熱電偶套管的主要成分與0Cr18Ni9Ti標(biāo)準(zhǔn)成分相差很大，其中Mn、C含量明顯偏高，而Cr，尤其是Ni的含量明顯達(dá)不到要求。
 
　　Mn元素含量偏高，鋼材的硬度相應(yīng)提高，但同時會導(dǎo)致鋼材的耐腐蝕性變差。
　　分析顯示實際材質(zhì)中的C含量高達(dá)0.325%，而室溫下0Cr18Ni9Ti對C的溶解度只有0.02%~0.03%。鋼材經(jīng)過固溶處理后，C以過飽和狀態(tài)溶于奧氏體中，使奧氏體不穩(wěn)定,再次受熱時，過飽和的C易向晶界偏聚，與Cr和Fe等形成M23C6碳化物，而導(dǎo)致材料出現(xiàn)晶間腐蝕傾向。
　　Cr的主要作用是提高不銹鋼的耐蝕性、抗氧化性和熱強性，還可細(xì)化晶粒。當(dāng)Cr含量不足時，材料金相組織晶粒粗大，有利于晶間腐蝕，同時抗氧化性和熱強性降低。
　　Ni不足不僅造成套管的韌度下降，而且會導(dǎo)致其耐腐蝕性明顯下降。
　　Ti在不銹鋼加入主要是為了抑制晶間Cr的碳化物析出，降低奧氏體不銹鋼的晶間腐蝕傾向。根據(jù)0Cr18Ni9Ti標(biāo)準(zhǔn)成分的要求，其Ti含量應(yīng)大于等于5倍的C含量，很顯然實物材料中的Ti含量遠(yuǎn)不達(dá)標(biāo)。
3.2金相組織觀察
　　為了解實物材料金相組織是否存在異常，以及穿孔部位是否存在微裂紋，對穿孔部位周圍材料的金相組織進(jìn)行了觀察，見圖3。
 
　　可以看出熱電偶套管材料的金相組織為典型的奧氏體不銹鋼的高溫敏化組織，晶粒粗大，且在晶界處有較明顯的碳化物析出，越靠近穿孔，碳化物析出越嚴(yán)重。
4結(jié)論及改進(jìn)措施
　　由以上分析可確定,減壓爐出口不銹鋼熱電偶套管穿孔失效的根本原因是鋼材的合金成分含量不達(dá)標(biāo)，合金元素含量低、碳化物在晶界析出和原油的高酸值以及介質(zhì)的沖刷加劇了腐蝕，沖刷腐蝕使管壁持續(xù)減薄而最終穿孔破裂。考慮到所加工原油的性質(zhì)以及該熱電偶所處位置的特殊性,在搶修中對熱電偶套管的材質(zhì)進(jìn)行了升級，改用316L不銹鋼。同時加強對采購重要配件進(jìn)行材質(zhì)抽檢，杜絕使用不合格的備件。