裂解爐蒸汽減溫器內(nèi)套和管線(xiàn)開(kāi)裂失效分析

，

(中國(guó)石油 蘭州石化分公司， 甘肅 蘭州 730060)

某石化公司乙烯裝置有5臺(tái)SC-1型裂解爐，其作用是利用高溫裂解氣熱量和高溫?zé)煔庥酂醽?lái)產(chǎn)生高壓過(guò)熱蒸汽。乙烯裂解爐汽包產(chǎn)生的飽和蒸汽由低溫過(guò)熱器加熱為超高壓過(guò)熱蒸汽，再經(jīng)噴水減溫器噴水降溫進(jìn)入高溫過(guò)熱器進(jìn)行二次過(guò)熱，產(chǎn)生超高壓過(guò)熱蒸汽送出作為裝置壓縮機(jī)動(dòng)力用蒸汽。

該高溫裂解氣超高壓蒸汽管線(xiàn)規(guī)格(外徑×厚度)為?273 mm×32 mm，材質(zhì)為ASTM A312-304H。2017-04-10起，2#、4#、1#、5#裂解爐減溫器的出口與超高壓蒸汽管線(xiàn)的焊縫連接處相繼發(fā)生了貫穿性裂紋。裂解爐汽水系統(tǒng)流程和蒸汽管線(xiàn)泄漏部位見(jiàn)圖1。

對(duì)2#裂解爐進(jìn)行了消漏處理，隨后在運(yùn)行中又發(fā)現(xiàn)減溫器的出口上方超高壓蒸汽管線(xiàn)彎頭處也有兩道焊縫泄漏。3#裂解爐減溫器本體焊縫也發(fā)生泄漏，被迫進(jìn)行了輪換停車(chē)消漏處理。1#、3#、4#裂解爐減溫器本體內(nèi)套也發(fā)生開(kāi)裂，為此整體更換了減溫器。對(duì)1#、4#裂解爐蒸汽管線(xiàn)焊縫打磨處理時(shí)還發(fā)現(xiàn)有延伸裂紋，也一并更換了管線(xiàn)。2#、5#裂解爐減溫器后管線(xiàn)焊口消漏處理后運(yùn)行中又出現(xiàn)泄漏，被迫進(jìn)行打卡子處理。

圖1 裂解爐汽水系統(tǒng)流程和蒸汽管線(xiàn)泄漏部位示圖

為了保證裝置的安全長(zhǎng)周期運(yùn)行，文中對(duì)4#爐減溫器內(nèi)套和出口損傷部位的蒸汽管線(xiàn)進(jìn)行取樣分析，并提出了預(yù)防措施。

1 減溫器內(nèi)套及蒸汽管線(xiàn)檢驗(yàn)分析

1.1 宏觀(guān)檢驗(yàn)

蒸汽管線(xiàn)內(nèi)、外壁無(wú)明顯腐蝕。

按 NB/T 47013.5—2015《承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè)——滲透檢測(cè)》[1]進(jìn)行管線(xiàn)內(nèi)、外壁滲透檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，內(nèi)壁焊縫處存在多處平行的沿軸向擴(kuò)展裂紋，有1條裂紋已穿透至外壁，斷口表面凹凸不平，附著大量腐蝕產(chǎn)物，清洗后呈現(xiàn)疲勞輝紋形貌。減溫器內(nèi)套外壁無(wú)明顯腐蝕坑，外壁存在多條平行的沿周向擴(kuò)展裂紋，見(jiàn)圖2。

圖2 4#爐內(nèi)套外壁裂紋

1.2 化學(xué)成分分析

采用光譜分析儀對(duì)減溫器內(nèi)套和蒸汽管線(xiàn)樣品進(jìn)行了化學(xué)成分分析，6點(diǎn)測(cè)試平均值結(jié)果見(jiàn)表1。

從表1可知，其測(cè)試結(jié)果符合ASTM A213/213M[2]對(duì)TP304H不銹鋼管的要求。

表1 管線(xiàn)和內(nèi)套化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) %

1.3 金相組織分析

蒸汽管線(xiàn)1#金相樣品的組織為奧氏體，存在由內(nèi)壁向外壁穿晶擴(kuò)展的裂紋，見(jiàn)圖3a；焊縫與熔合區(qū)組織為奧氏體+枝晶狀δ鐵素體，見(jiàn)圖3b。

內(nèi)套金相組織為奧氏體，存在由內(nèi)壁向外壁穿晶和沿晶擴(kuò)展的裂紋(圖4)，組織正常。

圖3 蒸汽管線(xiàn)1#金相樣品裂紋形貌及金相組織

圖4 內(nèi)套金相組織

1.4 斷口掃描電鏡分析

蒸汽管線(xiàn)裂紋的整個(gè)斷口表面存在大量的腐蝕產(chǎn)物，并且存在二次裂紋，見(jiàn)圖5。內(nèi)套清洗后的斷口呈現(xiàn)大量的疲勞輝紋，并且斷口存在少量腐蝕坑，見(jiàn)圖6。

圖5 蒸汽管線(xiàn)斷口掃描電鏡分析結(jié)果

圖6 內(nèi)套斷口掃描電鏡分析結(jié)果

1.5 蒸汽管線(xiàn)腐蝕產(chǎn)物能譜分析

蒸汽管線(xiàn)腐蝕產(chǎn)物的能譜分析結(jié)果見(jiàn)圖7，其結(jié)果為金屬氧化物，未發(fā)現(xiàn)S2+、Cl-腐蝕性元素的存在。

圖7 蒸汽管線(xiàn)腐蝕產(chǎn)物能譜分析

2 減溫器內(nèi)套及蒸汽管線(xiàn)開(kāi)裂原因分析

2.1 失效機(jī)理

減溫器內(nèi)套和蒸汽管線(xiàn)宏觀(guān)檢查可見(jiàn)，內(nèi)壁處存在多處沿軸向或周向平行擴(kuò)展裂紋。由金相檢測(cè)、裂紋及斷口特征等分析可知，內(nèi)套和蒸汽管線(xiàn)開(kāi)裂特征基本一致，裂紋由內(nèi)壁啟裂，由內(nèi)壁向外壁穿晶和沿晶擴(kuò)展，斷口表面凹凸不平，附著大量腐蝕產(chǎn)物。清洗后，裂紋源區(qū)和擴(kuò)展區(qū)呈現(xiàn)疲勞輝紋形貌，裂紋尖端圓鈍，符合低周疲勞破壞特征[3-4]。斷口表面有二次裂紋和腐蝕坑，說(shuō)明在裂紋的擴(kuò)展過(guò)程中，伴有應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂發(fā)生。結(jié)合減溫器內(nèi)套和蒸汽管線(xiàn)的操作條件分析，失效主要由于熱疲勞所致，應(yīng)力腐蝕促進(jìn)了裂紋的擴(kuò)展。

2.2 工藝分析

(1)減溫器將經(jīng)過(guò)低溫過(guò)熱器的超高壓蒸汽進(jìn)行減溫后再進(jìn)入高溫過(guò)熱器進(jìn)行二次過(guò)熱。因減溫器霧化效果不良，可直接造成減溫器后蒸汽管線(xiàn)內(nèi)壁帶水，使減溫器后蒸汽管線(xiàn)內(nèi)壁出現(xiàn)干濕交替區(qū)域。減溫水和蒸汽中含有微量Cl-，減溫器進(jìn)行噴水減溫時(shí)，蒸汽中微量的氯化物會(huì)溶入噴入的減溫水中，減溫水中Cl-在蒸汽加熱蒸發(fā)過(guò)程中被不斷反復(fù)蒸發(fā)濃縮并在管壁上富集。2016-10～2017-04-20，裂解爐鍋爐給水和爐水的氯離子分析數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表2 裂解爐鍋爐給水和爐水的氯離子分析數(shù)據(jù)

(2)裂解爐開(kāi)停車(chē)過(guò)程中，減溫器和其后蒸汽管線(xiàn)內(nèi)壁處于過(guò)飽和蒸汽區(qū)和過(guò)熱區(qū)交變的情況，Cl-會(huì)發(fā)生反復(fù)蒸發(fā)濃縮。

(3)減溫器后蒸汽管線(xiàn)內(nèi)介質(zhì)應(yīng)為過(guò)熱蒸汽，設(shè)計(jì)壓力12.1 MPa，操作壓力11.23 MPa。設(shè)計(jì)減溫器入口溫度460～560 ℃，出口溫度382 ℃，實(shí)際操作中減溫器入口溫度530 ℃左右，出口溫度330 ℃左右。在實(shí)際操作壓力為11.3 MPa條件下，飽和蒸汽溫度為320.15 ℃(實(shí)際操作也出現(xiàn)過(guò)低于此溫度的情況)，即當(dāng)管線(xiàn)蒸汽溫度波動(dòng)時(shí)，或在保溫不良的情況下，當(dāng)壁溫低于蒸汽飽和溫度時(shí)，在管壁上就可能析出冷凝水，這為Cl-反復(fù)濃縮創(chuàng)造了條件。

(4)在管線(xiàn)焊縫焊接時(shí)，焊口內(nèi)部的粗糙和凹凸現(xiàn)象的存在也極易使減溫水在此處聚集，在蒸汽溫度升溫過(guò)程中也伴隨著此處減溫水的蒸發(fā)、Cl-濃縮，為應(yīng)力腐蝕和均勻腐蝕提供了介質(zhì)條件。

2.3 金屬熱疲勞開(kāi)裂分析

裂解爐減溫器及出口超高壓蒸汽管線(xiàn)通常因?yàn)楣軆?nèi)溫度波動(dòng)產(chǎn)生的交變熱應(yīng)力發(fā)生熱疲勞破壞。熱疲勞開(kāi)裂是指介質(zhì)溫度變化使管壁產(chǎn)生熱應(yīng)力而造成的裂紋,產(chǎn)生的原因一般為沿管件圓周的溫度分布不均勻[3-9]。減溫器運(yùn)行過(guò)程中由于注水不能瞬間完全霧化或運(yùn)行中霧化效果不佳，以及溫度調(diào)節(jié)和閥門(mén)內(nèi)漏等因素，致使管線(xiàn)內(nèi)水、汽混合不均勻，導(dǎo)致大量水滴飛濺到管道內(nèi)壁，造成管道圓周的溫度分布不均，使內(nèi)壁局部區(qū)域因熱脹冷縮不匹配產(chǎn)生循環(huán)熱應(yīng)力，同時(shí)裝置的開(kāi)停車(chē)，尤其是異常情況下的緊急停車(chē)都將加劇管線(xiàn)交變熱應(yīng)力的產(chǎn)生，最終導(dǎo)致管線(xiàn)疲勞開(kāi)裂。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，自裝置開(kāi)車(chē)以來(lái)，僅2#裂解爐因?yàn)榈诙崩錈峤粨Q器(SQE)泄漏和引風(fēng)機(jī)電氣原因?qū)е碌耐t或波動(dòng)次數(shù)為12次，特別是2016年大檢修后，2#裂解爐因引風(fēng)機(jī)電氣原因?qū)е铝呀鉅t波動(dòng)3次，因SQE泄漏造成裂解爐停爐1次，這些停爐和波動(dòng)都會(huì)造成裂解爐減溫器和其后蒸汽管線(xiàn)溫度急劇變化，產(chǎn)生交變熱應(yīng)力。

管道中發(fā)生介質(zhì)反復(fù)蒸發(fā)濃縮工況部位的溫度明顯低于其他部位的溫度，造成該部位產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力。在反復(fù)蒸發(fā)濃縮工況下，該部位的溫度波動(dòng)較大，產(chǎn)生了較大幅度的熱應(yīng)力波動(dòng)，形成了熱應(yīng)力疲勞的力學(xué)條件。

在焊縫表面幾何不連續(xù)處，由于應(yīng)力集中和在該部位產(chǎn)生反復(fù)蒸發(fā)濃縮工況，造成該部位的應(yīng)力水平和波動(dòng)幅度更大，更容易使該部位發(fā)生熱應(yīng)力疲勞破壞。

2.4 氯離子應(yīng)力腐蝕分析

關(guān)于奧氏體不銹鋼的氯離子應(yīng)力腐蝕行為的研究較多，機(jī)理已經(jīng)比較明確[10-15]。根據(jù)API RP 571[16]，氯離子應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂對(duì)所有300系列的不銹鋼都十分敏感，因?yàn)槁入x子會(huì)發(fā)生濃縮，無(wú)最低氯離子含量的限制，傳熱條件會(huì)明顯增加開(kāi)裂的敏感性，干濕或蒸汽和水的交替變換也會(huì)加速開(kāi)裂。

雖然腐蝕產(chǎn)物能譜分析結(jié)果未發(fā)現(xiàn)S2+、Cl-腐蝕性介質(zhì)元素存在，但內(nèi)套和管線(xiàn)斷口表面微觀(guān)上同時(shí)存在二次裂紋，是應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的特征，而且減溫器內(nèi)套斷口存在少量腐蝕坑，可見(jiàn)裂紋擴(kuò)展的同時(shí)存在應(yīng)力腐蝕作用。

腐蝕產(chǎn)物主要是在裂紋擴(kuò)展后，在斷口表面形成的。腐蝕產(chǎn)物中不含氯等元素，可能的原因：①取樣部位裂紋是穿透性的，而氯化物的溶解度很高。蒸汽在運(yùn)行過(guò)程中的持續(xù)泄漏，帶走了管道中的氯化物。②停車(chē)后，管道中的冷凝液帶走了氯化物。 ③在裂紋樣品機(jī)加工過(guò)程中，冷卻液也可帶走腐蝕產(chǎn)物中的氯化物。

腐蝕產(chǎn)物的主要成分為Cr、Ni等不銹鋼所含金屬元素的氧化物，應(yīng)為不銹鋼受腐蝕以后生成的金屬離子水解后形成的，這間接證明氯離子參與了腐蝕過(guò)程。類(lèi)似裝置的同類(lèi)管線(xiàn)也曾出現(xiàn)過(guò)在熱應(yīng)力的作用下，304H奧氏體不銹鋼發(fā)生氯離子應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的案例[17-20]。因此，氯離子應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂存在的風(fēng)險(xiǎn)不能忽視，需引起關(guān)注。

綜上所述，管線(xiàn)和內(nèi)套開(kāi)裂主要是因?yàn)闊崞谠斐傻?，裂紋擴(kuò)展過(guò)程中同時(shí)有應(yīng)力腐蝕的作用，減溫器霧化效果不良是造成管線(xiàn)和內(nèi)套熱疲勞的主要原因，管線(xiàn)內(nèi)存在水汽反復(fù)蒸發(fā)濃縮工況也是導(dǎo)致應(yīng)力腐蝕的主要原因。

3 建議

(1)嚴(yán)格執(zhí)行工藝指標(biāo)操作，穩(wěn)定減溫器后蒸汽管線(xiàn)溫度的調(diào)節(jié)，確保減溫器運(yùn)行過(guò)程中霧化良好，杜絕因水、汽混合不均勻致使管道圓周溫度分布不均的現(xiàn)象發(fā)生，避免內(nèi)壁局部區(qū)域因溫度不均勻變化產(chǎn)生交變熱應(yīng)力。

(2)防止在蒸汽溫度調(diào)節(jié)過(guò)程中減溫器后蒸汽管線(xiàn)內(nèi)壁出現(xiàn)過(guò)飽和狀態(tài)，發(fā)生氯離子反復(fù)濃縮的情況。

(3)應(yīng)避免裝置異常狀況下的緊急停車(chē)，以免管線(xiàn)和水汽介質(zhì)由于溫度的急劇變化而造成以上熱應(yīng)力和應(yīng)力腐蝕情況的發(fā)生。

(4)對(duì)于存在氯離子的應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂環(huán)境，尚需進(jìn)一步對(duì)奧氏體不銹鋼材料的適用性進(jìn)行研究、評(píng)估和論證，同時(shí)根據(jù)其它鍋爐和裂解爐相同部位蒸汽管線(xiàn)的材質(zhì)使用情況，采用鉻鉬鋼材質(zhì)或其他耐氯離子點(diǎn)蝕和應(yīng)力腐蝕更好的材料，避免蒸汽管道發(fā)生氯離子應(yīng)力腐蝕。

(5)改進(jìn)設(shè)備結(jié)構(gòu)提高焊接質(zhì)量，降低交變載荷和局部應(yīng)力，以減緩疲勞和應(yīng)力腐蝕斷裂的敏感性。