常減壓裝置初頂后冷卻器裂紋原因分析

翁東山

（福建省特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院，福建 福州 350008）

1 前言

福建某石化企業(yè)常減壓裝置一臺初頂后冷卻器運(yùn)行了近19年，2011年4月對其進(jìn)行全面檢驗(yàn)時經(jīng)磁粉檢測發(fā)現(xiàn)殼體內(nèi)表面某條焊縫存在大量裂紋，現(xiàn)場對其中的一條橫向裂紋消除時發(fā)現(xiàn)裂紋深度已經(jīng)超過實(shí)際板厚的一半。檢驗(yàn)人員對裂紋區(qū)域進(jìn)行了硬度測定、金相分析、光譜分析，并結(jié)合生產(chǎn)工藝和設(shè)備的運(yùn)行狀況對裂紋失效原因進(jìn)行了分析和探討。

2 設(shè)備參數(shù)和裂紋表征

容器規(guī)格φ800×12，材質(zhì)為16MnR，殼程：介質(zhì)是油、工作壓力為0.2MPa、工作溫度為60℃；管程：介質(zhì)是循環(huán)水、工作壓力為0.4MPa、工作溫度為40℃；該設(shè)備于1992年6月投用，使用年限近19年。

設(shè)備裂紋位置如圖1所示。

現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)的裂紋集中分布在內(nèi)表面C4環(huán)縫700×200mm范圍內(nèi)，裂紋形貌及特征：

（1）焊縫上：裂紋主要呈橫向分布、部分貫穿焊縫，尾部有分叉；

（2）熔合線區(qū)域：裂紋主要呈縱向分布，有樹枝狀分叉；

（3）熱影響區(qū)：裂紋較短，部分是焊縫及熔合線裂紋的延伸部分；

裂紋斷口較亮，無氧化色彩，裂紋照片如圖2、圖3所示。

圖2 焊縫上裂紋

圖3 熱影響區(qū)裂紋

3 裂紋原因分析

由于設(shè)備使用時間較長，檢驗(yàn)員對該設(shè)備進(jìn)行了較全面的檢測，以便找到初頂后冷卻器裂紋失效的原因。

3.1 金相組織分析

在裂紋區(qū)域制成金相試樣，采用現(xiàn)場便攜式光學(xué)顯微鏡觀察，金相組織照片如圖4、圖5所示，放大倍數(shù)為400倍。

從金相組織照片可以看出，裂紋區(qū)域組織主要由珠光體和粗大的魏氏體組成，其中魏氏體組織顆粒明顯偏大，熱影響區(qū)中的過熱區(qū)較寬；從照片上看顆粒的晶界模糊，裂紋呈穿晶開裂和延晶開裂。

根據(jù)裂紋區(qū)域金屬組織的特征可初步判斷C4焊縫在制造時有可能焊接溫度較高，且在高溫下停留時間過長，造成晶粒粗大，過熱區(qū)較寬，顆粒間隙較大，導(dǎo)致這部分金屬組織的塑性和韌性有一定下降，脆性增大。另外熱影響組織不均勻，這部分是焊接接頭的薄弱環(huán)節(jié)，在應(yīng)力作用下容易萌生裂紋。

3.2 硬度測定

對裂紋區(qū)域焊縫、熱影響區(qū)、熔合線進(jìn)行硬度測定，檢測結(jié)果見表1。

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從檢測結(jié)果來看，未發(fā)現(xiàn)裂紋區(qū)域材質(zhì)硬度有明顯變化，（相同厚度16MnR板材的硬度值為150HB左右）符合16MnR鋼的材料硬度要求。

3.3 光譜分析

檢驗(yàn)現(xiàn)場采用半定量光譜分析對裂紋區(qū)域材質(zhì)進(jìn)行合金元素光譜分析，測出鋼板中錳含量為1.52，符合16MnR鋼的錳含量要求。

根據(jù)以上檢測結(jié)果可排除材料錯用的因素，但由于使用年限較長，不排除含氫介質(zhì)對鋼材表面的滲透。由于C4焊縫金屬組織顆粒間隙較大，原油中攜帶的氫有可能進(jìn)入顆粒間隙或焊縫金屬夾雜物縫隙，當(dāng)達(dá)到一定分壓時，金屬組織破裂開，形成裂紋，隨著時間推移裂紋逐步擴(kuò)展最終導(dǎo)致設(shè)備失效。

4 初頂后冷卻器的腐蝕機(jī)理

常減壓裝置中在常壓塔前設(shè)置初餾塔一般是為了減輕原油對常壓塔的腐蝕，實(shí)際上是將一部分腐蝕轉(zhuǎn)嫁到初餾塔，而初頂后冷卻器設(shè)置在初餾塔頂產(chǎn)品線之后，工作介質(zhì)也難免帶有腐蝕性。腐蝕是常減壓裝置的典型缺陷，主要是由于原油中含有氯化物和硫化物。

4.1 氯化物的腐蝕

原油中的氯化物在原油被蒸餾的過程中受熱分解或水解產(chǎn)生氯化氫、還有有機(jī)酸等腐蝕介質(zhì)，使設(shè)備腐蝕。氯化物主要是氯化鈉（NaCl）、氯化鈣（CaCl2）、氯化鎂（MgCl2），CaCl2和MgCl2加熱至120℃時開始水解，水解率隨溫度升高而提高。

水解產(chǎn)生的HCl隨油氣流上升在分餾塔頂與冷凝水結(jié)合生成較濃的鹽酸，對金屬造成強(qiáng)烈腐蝕。[1]

4.2 硫化氫的腐蝕

原油中本身含有硫化氫，同時原油中的元素硫會與烴類物反應(yīng)生成硫化氫，然而硫化氫不穩(wěn)定，在200℃以上開始分解，又會生成元素硫，因此在低溫條件下所發(fā)生的腐蝕主要是硫化氫腐蝕。[2]

濕硫化氫應(yīng)力腐蝕（氫致鼓包、氫致裂紋）

濕硫化氫情況下 H2S→H++HS-

陽極：Fe+HS-→FeS+2e-，F(xiàn)e溶解，腐蝕

陰極（夾雜物處）：H+體積小，侵入鋼中夾雜物，2H++2e-→H2

H2不斷聚集，在縫隙和夾雜物處形成微小裂紋和鼓泡，隨著空隙壓力不斷升高，逐漸變成較大的裂紋和鼓包。

4.3 HCl和H2S相互作用，促進(jìn)腐蝕加速[3]

HCl還能與金屬表面上具有保護(hù)作用的硫化鐵反應(yīng)。

反應(yīng)生成溶于水的氯化亞鐵，使金屬失去保護(hù)膜，同時釋放出硫化氫氣體，對低溫硫腐蝕有促進(jìn)作用，加快腐蝕速度。

根據(jù)以上腐蝕機(jī)理分析，并結(jié)合生產(chǎn)工藝和設(shè)備運(yùn)行狀況，該冷卻器的裂紋失效可能是由應(yīng)力腐蝕引起的。冷卻器殼體介質(zhì)中攜帶的氫氣隨著腐蝕日積月累滲透到焊縫金屬顆粒間隙或夾雜物中，逐步形成應(yīng)力腐蝕裂紋，并慢慢擴(kuò)展，最終導(dǎo)致設(shè)備失效。

5 缺陷的處理

由于檢修工期較短，裂紋較多，且裂紋主要集中在C4焊縫上，因此與廠方協(xié)商后決定采取挖補(bǔ)的辦法進(jìn)行設(shè)備修復(fù)?，F(xiàn)場修理程序簡述如下：

（1）割除劃定的缺陷分布區(qū)域，并向外延伸50mm，應(yīng)注意割除板塊邊緣均勻且過渡圓滑；

（2）制備大小相同的板材進(jìn)行補(bǔ)焊；

（3）為保證焊接質(zhì)量，在焊接前應(yīng)進(jìn)行預(yù)熱；

（4）焊后24小時進(jìn)行射線檢測100%、表面檢測100%；

（5）耐壓試驗(yàn)。

6 結(jié)束語

從該石化企業(yè)歷次的檢修記錄來看，常減壓裝置換熱器發(fā)現(xiàn)裂紋的情況較少，本案也僅僅是個例。如果采用合適的工藝，如“一脫三注”，可以極大減輕原油中腐蝕介質(zhì)對設(shè)備的影響[4]。在本文中設(shè)備出現(xiàn)裂紋也與當(dāng)初設(shè)備制造時的焊接工藝有一定的關(guān)系，因此對常減壓裝置換熱器進(jìn)行全面檢驗(yàn)時應(yīng)注重對焊縫的無損檢測，特別是接觸腐蝕性介質(zhì)的焊縫內(nèi)表面部分。

[1]夏延燊.常減壓蒸餾裝置塔頂冷凝系統(tǒng)防腐蝕措施[J].石油煉制與化工，2006，37（1）：35-37.

[2]黨飛鵬，劉至祥.常壓塔頂冷卻器腐蝕與維護(hù)[J].石油化工設(shè)備，2000，29（2）：51-52.

[3]董舒民，姜德林.煉油廠換熱器腐蝕分析及防護(hù)[J].化工技術(shù)與開發(fā)，2006，35（10）：34-35.

[4]吳春生，侯銳鋼.注氨法解決常壓塔冷凝系統(tǒng)腐蝕存在的問題及對策研究[J].腐蝕與防護(hù)，2003，24（10）：445-447.