液化石油氣脫硫裝置堿液管線腐蝕原因分析與防護

馬 馳，程亞川，何 萌，趙志君

(1.中石油克拉瑪依石化有限責(zé)任公司，新疆 克拉瑪依 834000；2.中國特種設(shè)備檢測研究院，北京 100020)

2015年大檢修期間，某石化公司對其液化石油氣脫硫裝置進行了深度脫硫改造，為了防止堿液結(jié)晶造成管線堵塞，堿液管線(堿液線)采用了蒸汽伴熱。堿液線在改造后的運行過程中，共發(fā)生11處焊縫開裂泄漏，嚴(yán)重影響了裝置安全生產(chǎn)。

1 堿液流程描述

1.1 堿液系統(tǒng)簡介

液化石油氣脫硫工藝采用助溶法深度脫硫技術(shù)，其反應(yīng)方程式如下：

強堿(NaOH)與液化石油氣中的硫醇反應(yīng)生成硫醇鈉，硫醇鈉溶于堿液中，從液化石油氣中脫除硫醇硫；帶有硫醇的堿液在催化劑作用下通入空氣，使硫醇氧化為二硫化物從堿液中脫除，脫除了硫醇后的堿液可循環(huán)使用。系統(tǒng)運行過程中，堿液質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制指標(biāo)為10%～15%，一般其質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為14%，根據(jù)堿液濃度分析對系統(tǒng)內(nèi)補充新堿。

1.2 堿液線腐蝕泄漏事例

改造投產(chǎn)后，堿液線共發(fā)生11處管線焊縫開裂泄漏，其中10處開裂管線的伴熱為蒸汽伴熱，且泄漏部位均為調(diào)節(jié)閥、流量計跨線或間歇使用的堿液線管件焊縫部位。典型故障事例統(tǒng)計見表1，泄漏部位形貌見圖1和圖2。

表1 堿液線焊接裂紋泄漏典型故障統(tǒng)計

2 腐蝕原因分析

選取有代表性的開裂失效管道進行失效分析。該開裂彎頭位于貧堿液進脫硫C202流量計的副線，發(fā)生開裂失效的管道主要技術(shù)參數(shù)見表2。

圖1 堿液進流量計副線彎頭焊縫裂紋

圖2 堿液線彎頭焊縫泄漏部位包焊

表2 開裂管道主要技術(shù)參數(shù)

2.1 宏觀檢查

(1)彎頭外徑測量值為60.2 mm，彎頭測厚未見明顯腐蝕減薄。裂紋位于彎頭環(huán)焊縫部位，其宏觀形貌見圖3。彎頭內(nèi)表面未見明顯腐蝕坑或腐蝕溝槽，見圖4。

(2)彎頭硬度測量值見表3。母材和焊縫處硬度均在正常范圍內(nèi)。

圖3 彎頭焊縫宏觀裂紋

圖4 彎頭內(nèi)表面形貌

表3 失效彎頭硬度測試數(shù)據(jù)

2.2 材質(zhì)分析

對彎頭的母材和焊縫分別進行化學(xué)成分分析，結(jié)果見表4?？梢钥闯?，彎頭的母材部位材質(zhì)化學(xué)成分符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。

表4 彎頭化學(xué)成分測試結(jié)果 w，%

2.3 金相分析

彎頭裂紋處表面金相組織如圖5所示。從圖5可以看出，其微觀組織中同時存在鐵素體、珠光體和貝氏體，并呈現(xiàn)一定的魏氏組織特征。裂紋以沿晶開裂為主，有分支，具有典型的應(yīng)力腐蝕開裂特征。

2.4 掃描電鏡觀察分析

彎頭斷口掃描電鏡觀察形貌如圖6所示。從圖6可以看出，失效管件的斷口呈脆性斷裂，未見明顯韌窩。

圖5 裂紋處表面金相組織

圖6 斷口掃描電鏡觀察

對彎頭內(nèi)表面進行掃描電鏡觀察并進行能譜分析,可以看出，其內(nèi)表面存在氧化層,能譜分析結(jié)果見表5。

表5 彎頭內(nèi)表面能譜分析結(jié)果

對斷口及其上腐蝕產(chǎn)物進行掃描電鏡觀察和分析，結(jié)果見圖7和表6。

圖7 斷口表面掃描電鏡觀察

表6 斷口處腐蝕產(chǎn)物能譜分析結(jié)果

從表5和表6可以看出，裂紋內(nèi)存在氧化物。根據(jù)損傷形態(tài)和斷口分析可以判斷，開裂是由于堿應(yīng)力腐蝕造成的。

3 相關(guān)因素分析

3.1 碳含量

相關(guān)研究表明，堿液介質(zhì)管道的金屬中碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.01%～0.25%時易產(chǎn)生堿脆。該失效彎頭的材質(zhì)為20號鋼，經(jīng)材質(zhì)分析可知，彎頭母材碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.22%，處于堿脆的范圍之內(nèi)[1]。

3.2 堿液濃度和溫度

由于泄漏部位管線為副線或間歇使用的管線，不流動部位的堿液在伴熱加熱后濃縮聚集，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)可達31%。不流動部位管線經(jīng)蒸汽伴熱加熱后，其管線表面溫度為60～79 ℃。從實際統(tǒng)計的泄漏事例來看，NaOH的質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般為15%～48%，溫度為50～100 ℃時導(dǎo)致的泄漏次數(shù)最多，具有強的侵蝕性[2]。堿液管線不流動部位的堿液質(zhì)量分?jǐn)?shù)和溫度，均在致裂敏感范圍，易導(dǎo)致焊縫堿應(yīng)力腐蝕開裂。例如,當(dāng)NaOH的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%時，開裂溫度為70 ℃以上;當(dāng)NaOH的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%時，開裂溫度為54 ℃以上[3-4]。

3.3 熱處理

管線經(jīng)過焊后熱處理，大檢修時測得硬度大約為140 HB。焊后熱處理的質(zhì)量對堿應(yīng)力腐蝕開裂的影響很大，如果消應(yīng)力熱處理不到位，會增加管道對堿應(yīng)力腐蝕開裂的敏感性。

4 改進措施

4.1 降低堿液管線溫度

合理選擇管線伴熱方式，降低堿液線溫度，將管線溫度控制在46 ℃以下(堿液溫度大于46 ℃，隨著溫度的上升開裂敏感性上升)，可大幅降低管線堿應(yīng)力腐蝕開裂的風(fēng)險。

4.2 控制堿液濃度

對間歇使用管線，增加置換流程，防止堿液在受熱后濃縮聚集。嚴(yán)格控制工藝操作，消除積液部位，控制堿液濃度在工藝指標(biāo)范圍內(nèi)。

4.3 控制焊接及焊后熱處理質(zhì)量

控制焊接質(zhì)量，可有效降低因夾渣、氣孔、咬邊及未熔合等缺陷造成的應(yīng)力集中，降低焊縫縫隙腐蝕及應(yīng)力腐蝕開裂的可能性。保證消應(yīng)力熱處理的質(zhì)量，保持管道焊縫的開裂敏感性在較低水平。

4.4 管線材質(zhì)升級

對易發(fā)生堿應(yīng)力腐蝕開裂的管線進行材質(zhì)升級，選用對堿應(yīng)力腐蝕開裂敏感性低的材料來代替20號鋼材料。

5 結(jié)束語

堿應(yīng)力腐蝕開裂的主要影響因素為堿液濃度、溫度、殘余應(yīng)力和伴熱。當(dāng)堿質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過5%時開裂就有可能發(fā)生，隨著堿液溫度的升高，開裂敏感性增加。焊接或冷加工殘余應(yīng)力均可成為開裂的應(yīng)力條件。從工藝管理和技術(shù)上采取了預(yù)防措施：合理選擇伴熱方式、降低管線溫度、控制堿液濃度及管線焊后熱處理消除應(yīng)力等，有效地解決了堿液線開裂泄漏問題，保障了裝置安全平穩(wěn)運行。