常减压蒸馏装置ZG1Cr13Ni材质泵体法兰失效分析及预防措施

摘要：某石化公司常减压蒸馏装置ZG1Cr13Ni材质泵体法兰在常温回装过程中发生脆性断裂。经分析，该法兰材质为ZG1Cr13Ni，长期在375℃（475℃脆化敏感温区）下运行，导致材料韧性和塑性严重退化。通过化学成分、金相组织、力学性能及断口形貌分析，确认失效原因为475℃脆化。提出了材料优化、检测方法改进及热处理恢复措施，实施后设备运行稳定。

关键词：常减压蒸馏装置；法兰失效；475℃脆化；ZG1Cr13Ni；马氏体不锈钢；预防措施

引言

炼油装置高温设备的材质劣化问题日益突出，尤其是马氏体不锈钢在315～540℃长期服役时易发生475℃脆化，导致低温环境下突发脆性断裂。本文针对某厂减压塔底泵法兰失效案例，结合实验分析提出改进方案，为同类设备选材及维护提供参考。

1减压系统工艺流程

常压塔底油经减压炉加热后进入减压塔内，减压塔自塔顶至塔底分为：Cc油气、C1油、C1A油、C2油、C3油、C4油和CT（减压塔底油），CT油在塔底自压被减压塔底泵抽出经冷却后外送。

2设备故障情况

常减压蒸馏装置减压塔底泵出口泵体法兰于2024年5月1日发生失效开裂，失效时为现场机泵出口短节回装，无物料，常温常压状态下使用液压扳手进行回装。失效泵体法兰自2005年8月31日投用，规格为DN200PN6.3MPa，材质为ZG1Cr13Ni，热处理状态为调质，硬度为180～250HB，工况下的操作压力为2.0MPa，操作温度375℃，接触介质为减压渣油。

2.1宏观检查

如图1所示，法兰断裂为3部分，断裂位置无明显塑性变形，断口表面光亮，可见反光的小刻面，呈脆性断裂特征，靠近法兰内侧的断口表面局部可见铸造气孔缺陷。

2.2化学成分分析

从失效件中取化学成分分析检测试样，依据GB/T11170-2008《不锈钢多元素含量的测定火花放电原子发射光谱法（常规法）》对其进行化学成分分析，检测结果见表1，结果表明该法兰材料的化学成分满足标准QJ/Sf2.17-1996对ZG1Cr13Ni材料的规定。

2.3金相组织分析

取样部位见图2，以法兰部位的断口位置的截面为检验面。

依据GB/T13298-2015《金属显微组织检验方法》对试样的显微组织进行监测分析，监测结果见图3，结果表明，该法兰的金相组织为回火马氏体+铁素体+晶界碳化物，金相组织未见明显异常。

2.4力学性能分析

在失效法兰上取样，依据GB/T231.1-2018《金属材料布氏硬度试验第1部分：试验方法》的规定布氏硬度检测，依据GB/T228.1-2021《金属材料布氏硬度试验第1部分：试验方法》对其进行拉伸试验，依据GB/T229-2020《金属材料夏比摆锤冲击试验方法》对其进行V型冲击试验，试验温度为常温，试验结果见表2。

由表2可见，材料的拉伸强度（Rm）满足标准要求：断后伸长率A和断面收缩率Z为0，且冲击吸收功仅为3～4J，显著低于标准值；法兰材料的硬度值满足标准要求。力学性能检测结果表明失效法兰材料在常温下的韧性和塑性非常差，且有脆性材料的力学性能特点。

2.5断口形貌分析

采用扫描电子显微镜（SEM）对断口的微观形貌进行了观察分析，分析结果见图4，如图所示，断口表面可见“河流花样”和撕裂棱，撕裂棱处可见“韧窝”，具有脆性断口特性，符合脆性断裂。

3失效分析

3.1失效现象总结

（1）法兰断裂为3部分，断口宏观形貌呈脆性断裂特征，靠近法兰内侧的断口表面局部可见铸造气孔缺陷；

（2）法兰材料化学成分满足标准GJ/Sf2.17-1996对ZG1Cr13Ni材料的规定；

（3）法兰的金相组织为回火马氏体+铁素体+晶界化合物，金相组织未见明显异常；

（4）法兰材料在常温下的抗拉强度（Rm）和硬度满足标准要求；断裂伸长率A和断面收缩率Z为0，且冲击吸收功仅为3～4J，显著低于标准值，表明失效法兰材料在常温下的韧性和塑性非常差，且有脆性材料的力学性能；

（5）失效法兰的断口微观形貌具有准理断口特性，为脆性断口的一种。

3.2失效原因分析

从现场故障现象来看，失效法兰材料的化学成分、硬度、抗拉强度符合相关标准要求，但在常温下的韧性和塑性非常低，接近完全丧失，而正常的ZG1Cr13Ni具有较好的塑性和韧性，表明该法兰材料发生了脆化。该法兰的使用温度为375℃，该温度下长时间使用的ZG1Cr13Ni材料对“475℃脆化”敏感。

“475℃脆化”是由在315℃～540℃的温度范围内使用的含有铁素体相的不锈钢发生冶金变化的延展性和断裂韧性损失，可能导致开裂失效，ZG1Cr13Ni由于Cr含量较低，需在敏感温度范围内长时间使用才会发生脆化，对韧性的影响在工作温度下不明显，失效一般发生在较低温度下（低于175℃）。

由于长期在敏感温度范围内使用，材质为ZG1Cr13Ni的泵体法兰发生“475℃脆化”，导致常温下材料几乎丧失韧性和塑性，在法兰定力矩回装过程中受液压扳手外力作用下发生脆断。

3.3预防及改进措施

（1）材料优化：在材质适合工况的情况下，高温条件可以选用铁素体含量低的合金、无铁素体合金，如ZG0Cr18Ni9（304不锈钢）、ZG1Cr12Ni4Mo（降低Cr含量，增加Ni/Mo抑制脆化）。

（2）检测与维护：大多数脆化部件在停车后、开车前低温（材料温度低于93℃）情况下易发生开裂，根据部件的重要及生产时的危险程度，可采用目视检测、表面无损检测和声发射方法检测开裂情况，同时避免停车后的低温冲击（<93℃）。

（3）热处理恢复：对轻微脆化部件进行“600℃×2h回火+快冷”，使脆化部件恢复部分韧性。

4.结论

（1）法兰失效主因是ZG1Cr13Ni长期在375℃下发生“475℃脆化”，导致常温韧性丧失。

（2）改进方案包括材料升级、检测优化及热处理修复，可应用于现场。

参考文献：

[1]Lena，A.J.（1954）.The475CEmbrittlementinFe-CrAlloys.MetallurgicalTransactions.

[2]QJ/Sf2.17-1996.ZG1Cr1 Ni不锈钢铸件技术条件