万泰力 孟庆武

(1.大庆炼化公司；2.东北石油大学)

膨胀节(又称补偿器或者伸缩节)是石油化工装置中常用的一种能自由伸缩的弹性补偿机构，用于补偿因温度差或者机械载荷而产生的附加应力以及减振和降噪[1, 2]。近年来，炼油装置中的膨胀节失效事故时有发生。例如，1995年的吉林石化公司[3]、2004年和2013年的大连石化公司[3, 4]、2006年的玉门炼油厂[5]均发生过膨胀节失效事故，给企业生产造成一定的经济损失。膨胀节失效机制比较复杂，由于长期承受高温、介质腐蚀及交变载荷等恶劣工况，导致其金属波纹管产生晶间腐蚀、腐蚀疲劳、应力腐蚀及高温损伤等失效[6～10]。

2012年某炼油厂重油催化生产装置中，一套高温烟气膨胀节在使用了一年多就发生了开裂泄漏。为了生产继续运行，将泄漏波纹管处在线补焊密封套，勉强维持使用，待大修时更换。膨胀节的波纹管壁厚为2.5mm，材料为Incoloy800，操作温度670～680℃，操作压力0.2～0.3MPa，介质为高温烟气。为查明原因，针对其开裂波纹管进行检测分析，以确定其失效性质和原因，为相关膨胀节制造和使用提供借鉴和指导。

1 膨胀节泄漏宏观检查分析

将膨胀节外侧的密封套切割开，露出里侧的波纹管。由图1、2可以看出，波纹管的波峰处存在一条较大的裂纹，这条裂纹造成了膨胀节泄漏。将开裂处的波纹管切割取下一部分，制备成各类试样，进行检测分析。

图1 膨胀节波纹管泄漏部位

图2 波纹管泄漏部位的裂纹形貌

2 波纹管内外壁微观形貌检测分析

在远离波纹管开裂区域截取多个小试样，用超声波清洗干净，利用扫描电镜观察分析试样表面的微观形貌，查找是否存在微裂纹。由图3波纹管内壁表面的微观形貌可以看出，在多个波纹管试样内壁均发现微裂纹，在波纹管外壁表面未发现微裂纹，表明波纹管的裂纹萌生于内壁，向外壁扩展开裂。

图3 波纹管内壁的微裂纹形貌

波纹管的外壁一侧暴露在空气中，而其内壁接触高温烟气，烟气中SO2等硫化物较多，腐蚀性很强。由此可以判断出，波纹管内壁一侧的高温烟气腐蚀作用是造成波纹管开裂的重要因素。

3 波纹管开裂断口微观检测分析

在波纹管开裂处截取断口小试样，用超声波清洗干净，利用扫描电镜观察分析断口表面的微观形貌(图4)，可以看出，波纹管断口表面存在二次裂纹，并且断口表面腐蚀严重，在高倍下断口表面布满腐蚀产物(图5)。用能谱仪检测断口表面的腐蚀产物，结果显示腐蚀产物中含有较多S元素，这说明烟气中的硫化物(主要为SO2)对波纹管开裂起到腐蚀作用。用盐酸与六亚甲基四胺配制清洗剂，将断口表面的腐蚀产物清洗掉。由酸洗后的波纹管断口微观形貌(图6)可以看出，断口微观形貌特征为脆性解理断口，这就排除了波纹管过载以及高温蠕变造成塑形开裂的可能性。

图4 波纹管开裂断口的低倍微观形貌

图5 波纹管断口的高倍微观形貌(酸洗前)

图6 波纹管断口的高倍微观形貌(酸洗后)

4 波纹管试样金相组织检测分析

在波纹管上靠近开裂以及远离开裂区域各截取小试样，经研磨抛光后用王水溶液浸蚀，制备成金相试样，利用金相显微镜对试样的金相组织以及裂纹扩展形态进行观察分析。图7为波纹管上远离开裂区域的金相组织图片，可以看出波纹管金相组织为奥氏体，其中夹杂有小颗粒状碳化物，晶粒度评定等级为6级，未发现异常组织和粗大夹杂物。图8、9为波纹管上靠近开裂区域的微观组织图片。图8为王水浸蚀前的组织中微裂纹扩展形态，可以看出裂纹扩展呈现明显的树枝分叉形态，这是应力腐蚀裂纹的典型形态。图9为王水浸蚀后的组织中微裂纹形态，可以看出裂纹扩展呈现穿晶形态，未发现明显的沿晶腐蚀特征。

图7 波纹管微观金相组织 ×100

图8 波纹管未浸蚀组织中微裂纹 ×100

图9 波纹管浸蚀组织中微裂纹 ×500

5 预防建议

根据膨胀节失效机理以及现场实际情况，制定了以下技术措施来延长其使用寿命：将波纹管的材料更换为耐蚀性能更好的镍基合金Inconel625；调整膨胀节连接两端的烟气管路接口距离与对中性，尽量减小膨胀节连接造成的附加载荷；装置检修停工时通入热空气吹扫，避免硫化物的露点腐蚀产生。

6 结束语

应力腐蚀产生的条件是拉应力+特定腐蚀介质。膨胀节的波纹管材料为Incoloy800，金相组织为奥氏体，对硫化物应力腐蚀比较敏感。高温烟气中含有硫化物(主要为SO2)，在生产停工时结露附着在波纹管内壁上，满足了应力腐蚀的特定介质条件。膨胀节安装以及生产中的热胀冷缩联合载荷作用，在波纹管上产生复杂的应力状态，某些区域产生较高的拉应力，具备了应力腐蚀的拉应力条件。波纹管断裂无明显塑性变形，属于脆性断口，断口腐蚀产物中检测出硫化物，组织中微裂纹树枝状分叉穿晶扩展。因此确定波纹管开裂属于硫化物导致的应力腐蚀开裂。

[1] 高海涛，钱才富,刘颖，等. 膨胀节标准简述[J]. 化工机械，2001，28(2)：106～109.

[2] GB/T 12777- 2008，金属波纹管膨胀节通用技术条件[S]. 北京：中国标准出版社，2008.

[3] 项忠维，张伟奎，李峰，等. 催化裂化装置膨胀节失效原因与措施[J]．腐蚀科学与防护技术，2005，17(2)：128～130.

[4] 王旭. 烟机入口管膨胀节失效分析[J]. 炼油技术与工程，2015，45(1)：39～42.

[5] 唐卫兵，王自军. 重油催化装置膨胀节腐蚀原因分析及对策[J]. 化工机械，2010，37(1)：115～117.

[6] 马丹，何颜红. 30万t/a催化裂化装置烟机入口膨胀节波纹管开裂分析[J]. 化工机械，2013，40(3)：396～399.

[7] 康学勤，孙智，李晓伋. 低频率下波纹管膨胀节腐蚀疲劳行为模拟[J]. 压力容器，2008，25(9)：1～3.

[8] 张海，谢圣利. 3.5Mt /a重油催化裂化装置膨胀节开裂原因分析[J]．石油和化工设备，2011，14(7)：55～56.

[9] 王来，马海涛，韩双起，等. 催化裂化装置中大型波纹管膨胀节失效分析[J]．金属热处理，2007，32(z1)：167～169.

[10] 张爱琴. 高温烟气管道铰链型膨胀节失效分析与设计优化[J]．材料开发与应用，2014，(12)：99～103.