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成分和金相組織的分析，結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不合格，導致工作溫度下形成碳化物析出，在介質腐蝕和沖刷的綜合作用下穿孔泄漏，據此提出了升級材料的改進措施和保證備件品質的管理預防手段。
0前言
　　近年來國內外煉廠的原料原油品質普遍呈劣化趨勢,原油中的酸值和硫含量兩項指標逐年升高，因此導致煉廠設備腐蝕加劇，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，經檢查發現熱電偶套管已經嚴重穿孔破損，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生，對損壞熱電偶套管材料的化學成分和金相組織進行了分析與觀察。
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。熱電偶套管材質為0Cr18Ni9Ti不銹鋼，工作部位的溫度為400℃左右，介質狀態為汽液兩相。破壞形態為套管底部穿孔，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良好(圖lb)。
 
　　仔細觀察管壁減薄部位與正常管體的交界處可發現明顯的深坑，如圖2所示。據此可以推斷，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果。
 
2高酸低硫原油的腐蝕特性
　　原油中的環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物，腐蝕形態為帶銳角邊的蝕坑和蝕槽。環烷酸腐蝕有兩個加速腐蝕溫度區間，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。介質的流速對腐蝕影響很大，環烷酸腐蝕的部位一般均發生在流速高的地方，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行，若硫含量低于某一臨界值，腐蝕加重。原因是環烷酸破壞了硫化氫腐蝕產物，生成可溶于油的環烷酸鐵和H2S，使腐蝕能持續進行。若硫含量高于臨界值，H2S能使金屬表面生成穩定的硫化鐵保護膜，起到減緩環烷酸腐蝕的作用。因此，低硫高酸介質比高硫高酸介質中的腐蝕要嚴重。
3熱電偶套管材質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境因素外是否還有其他原因，我們對熱電偶套管的材質狀況做了進一步的分析。
3.1材質成份分析
　　直讀光譜儀對熱電偶套管頂部、中間部分、損壞嚴重的底部套管材質進行了成分分析，結果列表1。
 
　　將熱電偶套管的主要合金元素含量與標準鋼號的成分進行了比較，結果如圖2所示。
　　由表2的數據可以看出，熱電偶套管的主要成分與0Cr18Ni9Ti標準成分相差很大，其中Mn、C含量明顯偏高，而Cr，尤其是Ni的含量明顯達不到要求。
 
　　Mn元素含量偏高，鋼材的硬度相應提高，但同時會導致鋼材的耐腐蝕性變差。
　　分析顯示實際材質中的C含量高達0.325%，而室溫下0Cr18Ni9Ti對C的溶解度只有0.02%~0.03%。鋼材經過固溶處理后，C以過飽和狀態溶于奧氏體中，使奧氏體不穩定,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，而導致材料出現晶間腐蝕傾向。
　　Cr的主要作用是提高不銹鋼的耐蝕性、抗氧化性和熱強性，還可細化晶粒。當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0Cr18Ni9Ti標準成分的要求，其Ti含量應大于等于5倍的C含量，很顯然實物材料中的Ti含量遠不達標。
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，碳化物析出越嚴重。
4結論及改進措施
　　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標，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的沖刷加劇了腐蝕，沖刷腐蝕使管壁持續減薄而最終穿孔破裂。考慮到所加工原油的性質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進行了升級，改用316L不銹鋼。同時加強對采購重要配件進行材質抽檢，杜絕使用不合格的備件。