汽水分离器封头失效原因分析_张婧.pdf

汽水分离器封头失效原因分析张婧1,2（1.甘肃省特种设备检验检测研究院，兰州730050；2.国家节能换热设备质量监督检验中心，兰州730050）摘要 高硫空压机外加鼓风再生吸附式干燥器的汽水分离器下封头在使用过程中突然断裂脱落。利用直读光谱仪、金相显微镜、扫描电子显微镜及能谱仪，综合分析失效件的断口宏观形貌、微观形貌、化学成分、显微组织及其腐蚀产物。结果表明：汽水分离器下封头的失效模式为冲刷腐蚀断裂；含硫化物、氯化物的汽水混合物介质高速冲刷封头，发生钝化冲刷电化学腐蚀再钝化交替的冲蚀破坏过程；带状组织的存在导致封头具有各向异性，加剧冲刷腐蚀开裂。关键词 汽水分离器下封头；冲刷腐蚀；带状组织；各向异性 中图分类号 TG115.2 文献标志码 Adoi：10.3969/j.issn.1673-6214.2023.03.008 文章编号 1673-6214(2023)03-0191-05Analysis of Failure Cause of Steam Water Separator HeadZHANGJing1,2(1.GansuProvinceSpecialEquipmentInspectionandTestingInstitute,Lanzhou730050,China；2.NationalQualitySupervision&InspectionCenterforEnergy-savingHeatExchangeEquipment,Lanzhou730050,China)Abstract:Thelowerheadofthesteamwaterseparatoroftheexternalblastregenerationadsorptiondryerequippedonthehighsulfuraircompressorsuddenlybreaksandfallsoffduringuse.Themacromorphology,chemicalcomposition,microstructure,micromorphology and corrosion products of failure fracture were comprehensively analyzed by direct reading spectrometer,metallographicmicroscope,scanningelectronmicroscopeandenergydispersivespectrometer.Theresultsshowthatthefailuremodeoftheheadwaserosioncorrosionfracture.Whenthesteamwatermixturecontainingsulfideandchloridewashedtheheadathighspeed,thealternatingerosionfailureprocessofpassivation,fluiderosion,electrochemicalcorrosionandrepassivationoccured.Becauseoftheexistenceofbandedstructure,theheadhasanisotropy,whichintensifieserosioncorrosioncracking.Key words:headofsteamwaterseparator;erosioncorrosion;bandedstructure;anisotropy0引言汽水分离器是将气流中雾滴、液滴以及携带的细小粉尘颗粒分离的设备，在石油化工、采矿等行业广泛使用，有效避免了液体、粉尘对管道、设备、仪表的腐蚀和堵塞。汽水分离器主要工作机理可分为重力沉降、惯性碰撞、离心分离、折流分离、丝网分离、超滤分离等1。每一种分离方法都有其适用范围，当介质和条件变化时，均表现出一定的局限性。为达到最佳的分离效果，选择适合的运行工况是汽水分离器的使用重点。在实际运行过程中，汽水分离器的材质、结构等因素一旦与工作介质、运行条件不匹配，就易发生失效，造成安全事故和经济损失等。以往对汽水分离器、汽包等类似结构的容器封头失效原因的分析主要集中在环境腐蚀和冲刷磨损 2 个方面，其综合作用会造成封头的冲刷腐蚀失效2-4。例如，管亚军等5对某汽水分离器锥形局部区域失效进行研究。结果表明，锥形封头壁厚强度校核结果大于最大减薄处厚度，该设备无法满足运行要求；介质中亚硫酸的电化学腐蚀和介质的高速冲刷造成了机械损伤，最终导致封头减薄失效。带状组织是封头在热加工成型过程中形成的常见异常组织，其各向异性造成的封头力学性能各向异性则鲜有报道，特别是在冲刷腐蚀过程中带状组织的各向异性对抗腐蚀性的影响并未引起足够重视。收稿日期 2023年3月2日修订日期 2023年5月9日作者简介 张婧（1986 年），女，工程师，主要从事特种设备失效分析等方面的研究。2023 年 6 月第 18 卷第 3 期失效分析与预防June，2023Vol.18，No.3本文研究对象为失效的高硫空压机外加热鼓风再生吸附式干燥器的汽水分离器下封头（图 1）。汽水分离器主体结构型式为立式旋流型，上下封头均为蝶形封头，壳体及封头材质为 Q345R，设计压力为 1.14MPa，工作介质为空气。该设备自运行起仅 10 个月，下封头突然断裂，致使干燥器被迫退出运行。本文对导致汽水分离器下封头断裂的因素进行分析，重点研究带状组织对封头失效的影响，为预防异常组织引起的该类设备事故发生，保证安全运行提供技术支撑。(a)Fracture location(b)Internal structure of steam water separator 图1失效汽水分离器Fig.1Failedsteamwaterseparator1试验过程与结果1.1封头宏观检查图 2 为汽水分离器失效下封头内部宏观形貌。可以看出，封头中心部位产生大量的“腐蚀坑”及“冲蚀沟槽”（图 2a），“腐蚀坑”呈点状分布在封头靠近中心部位，波纹状“冲蚀沟槽”分布在“腐蚀坑”周围，封头断口周围波纹状的“冲蚀沟槽”也清晰可见（图 2b）。此汽水分离器为旋流式汽水分离器，进入汽水分离器介质沿导流管螺旋下降，对下封头不断冲蚀，通过冲刷作用不断剥离腐蚀层与金属层，沿导流管由外向内流速降低，使冲蚀留下的波纹状“冲蚀沟槽”由外向内依次变浅；封头中心部位低洼，易存积沉积的含腐蚀介质的水分而受到腐蚀，表面出现“腐蚀坑”。Corrosion pitErosion groovesErosion grooves(b)Around the fracture(a)Central part 图2汽水分离器失效下封头内部宏观形貌Fig.2Macromorphologyoftheinteriorofthefailedlowerhead1.2化学成分分析在封头靠近中心部位及断口周围取化学分析试样，失效封头化学成分见表 1。根据 GB7132014 中对 Q345R 化学成分的要求可知，封头化学192失效分析与预防第18卷成分符合标准要求。1.3金相组织检查封头内表面金相组织见图 3a，金相组织为等轴的铁素体和珠光体。平行厚度方向（压延方向）金相组织见图 3b，金相组织为带状分布的铁素体和珠光体组织。根据 GB/T132992022，带状组织评级为 4 级，带状偏析较严重。1.4断口微观形貌失效封头撕裂形貌见图 4a。封头断口表面覆盖着大量的腐蚀产物（图 4b）。裂纹以撕裂的形式向前扩展，撕裂处壁厚减薄严重，在外力作用下将封头撕裂成“丝状”，裂纹在腐蚀坑和腐蚀产物汇集的位置上进一步扩展。1.5腐蚀分析失效封头源区腐蚀层形貌如图 5 所示。由图 5 可见，基体金属已完全被腐蚀层所覆盖，腐蚀层上存在大量孔洞和空隙，腐蚀产物较为松散。由能谱检测结果（表 2）可知，除了存在大量的 C、O、S、Cl 元素等，断口还有 Na、Mg、K、Ca 等杂质元素，表明进入汽水分离器的介质中含有盐类介质；此外，封头除硫化物的腐蚀外，还存在氯化物的腐蚀。表1Q345R 封头的化学成分（质量分数/%）Table1ChemicalcompositionofQ345Rhead(massfraction/%)ItemCSiMnCuNiCrMoPSAltCu+Ni+Cr+Mo10.150.211.430.010.0040.010.0020.0140.0040.0430.02620.150.191.370.010.0030.010.0020.0130.0030.0430.024Standardvalue0.200.551.201.700.300.3000.300.0800.0250.0100.0200.700100 m20 m(b)In thickness direction(a)Inner surface of head 图3显微组织Fig.3Microstructure(a)Macroscopic morphology of the tearing zone(b)Microscopic morphology of tearing zone100 m图4失效封头撕裂区形貌Fig.4Morphologyofthetearingzoneofthefailedhead第3期张婧:汽水分离器封头失效原因分析1932分析与讨论对汽水分离器失效下封头宏观检验、断口微观检验和能谱分析可知，汽水分离器为旋流式汽水分离器，进入汽水分离器的介质为含氯化物等杂质的汽水混合物。混合物沿导流管螺旋下降，对下封头不断冲蚀。下封头在高速介质颗粒的冲击下受到剪应力，不断剥离钝化膜及其表面金属，构成冲刷磨损的机械损伤。另外，环境流体介质中存在的硫化物、氯化物等腐蚀介质对封头产生电化学腐蚀，综合作用形成“钝化冲刷电化学腐蚀再钝化”的“冲刷腐蚀”过程5，最终导致冲蚀处壁厚减薄。介质流速沿导流管向中心部位依次减小，导致外侧区域减薄速率大于其他区域，封头外侧最先开裂。封头中心部位由于处于低洼位置，易存积沉积的含硫化物、氯化物的腐蚀介质水分，它们长时间腐蚀后封头中心部位形成大量不规则的腐蚀凹坑。表2失效封头起裂源处腐蚀层能谱分析（质量分数/%）Table2Energyspectrumanalysisofcorrosionlayeratthecrackinitiationsourceoffailedhead(masspercent/%)ElementCONaMgAlSiClKCaCrMnFeContent33.8327.840.590.230.330.580.311.150.160.130.4534.28此汽水分离失效下封头材质为 Q345R，经光谱检测可知材料化学元素成分符合标准要求。下封头失效前进口瞬时流量为 23200Nm3/h（N 代表名义工况），出口压力为 0.6MPa，工作温度为室温，露点温度60，并不存在超温现象，故无因超温导致的组织裂化现象产生。经金相检测可知，封头的平行厚度方向金相组织为带状分布的铁素体和珠光体，带状组织评级为 4 级，带状偏析严重。带状组织的存在使封头存在各向异性，进而导致总体力学性能降低，尤其横向力学性能显著下降。带状组织是沿压延方向层状相间分布的铁素体珠光体交替带，是钢材的一种内部缺陷。带状组织宏观上造成了钢材力学性能的各向异性，即沿带状组织方向的塑性和韧性明显高于垂直于带状组织的方向，导致钢材加工成型时易在铁素体珠光体交替处开裂，提高了废品比例6-10。为从根源上解决容器及相关设备因带状组织造成的隐患，提高使用寿命，需了解带状组织产生的原因。从带状组织形成机理可知，控制带状组织形成的关键，第一是控制在凝固过程中因成分不均匀而导致的枝晶偏析；第二是控制后续的热加工工艺，抑制成分、组织的进一步偏析11。冶炼过程中可采取调整化学成分、加快凝固速度的方式减轻成分偏析12。热加工成型过程亦采取控制成型温度、加速成型后的冷却过程，减少