延遲焦化裝置中壓力管道損傷模式的分析與識(shí)別

李斌

（中石化安慶分公司，安徽安慶246023）

最新的“壓力管道定期檢驗(yàn)規(guī)則——工業(yè)管道”TSG D 7005-2018 及“固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程”TSG 21-2016 均規(guī)定：檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)應(yīng)當(dāng)根據(jù)設(shè)備的使用情況、損傷模式及失效模式制定檢驗(yàn)方案并進(jìn)行定期檢驗(yàn)[1-2]。正在使用的石油化工壓力管道，因其損傷模式固有的復(fù)雜性，故引起損傷和失效的因素往往有很多，如因超壓造成的過(guò)度變形、原始缺陷造成的低應(yīng)力脆斷、因環(huán)境或介質(zhì)影響造成的腐蝕破壞、因交變載荷而導(dǎo)致發(fā)生的疲勞破壞、因高溫高壓環(huán)境造成的蠕變破壞等。因此就在用石化裝置壓力管道而言，了解其在特定工況、特定環(huán)境下的損傷模式和失效模式，對(duì)定期檢驗(yàn)和使用管理工作有著現(xiàn)實(shí)的指導(dǎo)意義。本文選擇延遲焦化裝置幾條主要系統(tǒng)管線，依據(jù)“承壓設(shè)備損傷模式識(shí)別GB/T 30579-2014”相關(guān)知識(shí)，通過(guò)對(duì)其有代表性的損傷模式進(jìn)行分析識(shí)別和歸納總結(jié)，以期對(duì)檢驗(yàn)項(xiàng)目的選擇及檢驗(yàn)方案的制定提供合理依據(jù)。

1 延遲焦化裝置管線主要損傷模式

延遲焦化裝置工況條件苛刻，如加工原料劣質(zhì)（含硫、氮、氧有害組分高）、加熱爐高溫、焦炭塔常溫至高溫的冷熱循環(huán)等諸多特點(diǎn)[4]，再考慮到制造安裝質(zhì)量、設(shè)備使用情況等多方面因素，導(dǎo)致裝置中的配套壓力管道損傷與失效模式種類繁多，成因復(fù)雜，單從個(gè)別因素難以界定；在“承壓設(shè)備損傷模式識(shí)別GB/T 30579-2014”所列舉的“腐蝕減薄、環(huán)境開裂、材質(zhì)劣化、機(jī)械損傷”四大類損傷模式中[3]，延遲焦化裝置中附屬管道均存在不同程度發(fā)生的可能性，這對(duì)壓力管道損傷模式識(shí)別的分析研究來(lái)說(shuō)，具有很強(qiáng)的代表性。該裝置主要的損傷模式及所對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)管道大致如表1 所示[3]。

表1 延遲焦化管道的損傷模式對(duì)應(yīng)表

由于工況條件苛刻，損傷模式多樣，故對(duì)檢驗(yàn)工作而言，應(yīng)首先結(jié)合焦化裝置的工藝原理，深入分析管道損傷模式并初步進(jìn)行歸納總結(jié)，找出其主要的損傷模式，從而有針對(duì)性地選擇檢測(cè)項(xiàng)目，制定檢驗(yàn)方案。從上述列舉的損傷模式來(lái)看，焦化裝置管道的損傷模式，概括起來(lái)是高溫區(qū)域腐蝕減?。ǜ邷亓蚧锔g、高溫氧化腐蝕）和機(jī)械損傷（蠕變）比較突出，低溫區(qū)域以環(huán)境開裂（濕硫化氫破壞）為主要形式，此外，熱應(yīng)力、熱疲勞以及高溫引起的材質(zhì)劣化也不同程度存在[4]。因此，檢驗(yàn)項(xiàng)目的選擇，應(yīng)充分考慮管道主要損傷模式的特點(diǎn)，在基于對(duì)其損傷模式做出預(yù)判的前提下，有的放矢地制定檢驗(yàn)方案。下面以高溫硫化物腐蝕（無(wú)氫氣環(huán)境）、蠕變和濕硫化氫破壞三種典型損傷模式為例，通過(guò)分析其損傷模式的具體特點(diǎn)和對(duì)焦化裝置管道系統(tǒng)損傷形態(tài)、損傷部位，進(jìn)而明確需要采取的檢驗(yàn)項(xiàng)目和管道重點(diǎn)檢驗(yàn)部位。

2 幾種典型損傷模式的識(shí)別及檢驗(yàn)方法的選擇

2.1 高溫硫化物腐蝕（無(wú)氫氣環(huán)境）

在焦化裝置中，高溫區(qū)域管道（加熱爐輻射段、焦炭塔頂管線、焦炭塔底管線、分餾塔底管線）均存在高溫硫化物的腐蝕。它屬于腐蝕減薄模式的一種，是碳鋼或其他合金在高溫下與硫化物反應(yīng)導(dǎo)致的腐蝕，損傷形態(tài)多為均勻腐蝕，有時(shí)也表現(xiàn)為局部腐蝕，高流速部位會(huì)形成沖蝕。通過(guò)上述總結(jié)我們知道，焦化高溫區(qū)域管道，以高溫硫化物腐蝕為主，同時(shí)在高流速部位會(huì)形成沖蝕?？紤]到兩類損傷模式均會(huì)對(duì)管道相應(yīng)部位造成一定程度減薄，因此，在定期檢驗(yàn)中，應(yīng)對(duì)腐蝕敏感部位進(jìn)行壁厚測(cè)定，如管道氣相段區(qū)域、管道低位處、管道渦流處、彎頭、三通、異徑、支管連接處等。

2.2 濕硫化氫破壞

對(duì)于焦化裝置低溫區(qū)域的管道，如輕油分餾系統(tǒng)和酸性水系統(tǒng)管線，其損傷模式以濕硫化氫破壞為主，它屬于環(huán)境開裂的一種主要形式，是在含水和硫化氫環(huán)境中碳鋼和低合金鋼所發(fā)生的損傷，包括氫鼓泡、氫致開裂、應(yīng)力導(dǎo)向氫致開裂和硫化物應(yīng)力腐蝕開裂四種形式，損傷形態(tài)為鼓泡和在應(yīng)力集中部位（主要在焊縫和熱影響區(qū)）開裂?？偟膩?lái)看，此類損傷形態(tài)有以下兩個(gè)特點(diǎn)：一是發(fā)生在高應(yīng)力區(qū)（焊縫和熱影響區(qū)），二是起源于管道內(nèi)表面，故在定期檢驗(yàn)中，通過(guò)管道外部的目視檢查很難發(fā)現(xiàn)初期開裂，壁厚測(cè)定能夠檢測(cè)出部分鼓泡和氫致開裂（壁厚數(shù)據(jù)異常），但對(duì)于應(yīng)力導(dǎo)向開裂和硫化物應(yīng)力腐蝕開裂，需要通過(guò)外部超聲波橫波檢測(cè)；另外，聲發(fā)射檢測(cè)可用于監(jiān)測(cè)裂紋的活性。

2.3 蠕變損傷

在焦化裝置高溫區(qū)域的管道，普遍存在蠕變損傷，蠕變是在低于屈服應(yīng)力的載荷作用下，高溫設(shè)備或設(shè)備高溫部分金屬材料隨時(shí)間推移緩慢發(fā)生塑性變形的過(guò)程。蠕變損傷的初始階段一般無(wú)明顯特征，但可通過(guò)掃描電子顯微鏡觀察來(lái)識(shí)別，蠕變孔洞多在晶界處出現(xiàn)，在中后期形成微觀裂紋，然后形成宏觀裂紋。當(dāng)設(shè)備運(yùn)行溫度遠(yuǎn)高于蠕變閾值時(shí)，通?？捎^察到明顯的鼓脹、伸長(zhǎng)等變形，變形量主要取決于材質(zhì)、溫度與應(yīng)力水平的三者組合。因此，承壓設(shè)備中溫度高、應(yīng)力集中的部位易發(fā)生蠕變，尤其在三通、接管、缺陷和焊接接頭等結(jié)構(gòu)不連續(xù)處。蠕變變形速率的主要影響因素為材料、應(yīng)力和溫度。損傷速率（或應(yīng)變速率）對(duì)應(yīng)力和溫度比較敏感，比如合金使用溫度升高12℃，或應(yīng)力升高15%，可能使合金剩余壽命縮短一半以上。在蠕變閾值溫度下，一般不發(fā)生蠕變變形，但高于蠕變溫度閾值時(shí)，蠕變損傷就可能發(fā)生。

通過(guò)分析蠕變損傷的特點(diǎn)我們知道，該類損傷發(fā)生的影響因素主要是溫度（高溫）、材質(zhì)和應(yīng)力水平，而焦化裝置高溫區(qū)域管道，如焦化爐輻射爐管和焦炭塔頂高溫?zé)煔夤艿?，其運(yùn)行溫度都在材料蠕變閾值之上[3]，故蠕變損傷可能發(fā)生。在材料使用方面，如存在異種鋼焊接接頭，因熱膨脹系數(shù)不同而導(dǎo)致在焊接接頭、熱影響區(qū)和局部形成高應(yīng)力區(qū)，也會(huì)發(fā)生蠕變。更為嚴(yán)重的是，在環(huán)境、應(yīng)力、材料共同作用并滿足條件時(shí)，存在殘余應(yīng)力或載荷引起的外加應(yīng)力，甚至可以促成開裂。因此，對(duì)存在蠕變損傷模式的焦化裝置高溫區(qū)域管道，定期檢驗(yàn)應(yīng)注意以下三個(gè)方面：

（1）應(yīng)關(guān)注高溫區(qū)域管道可能存在的過(guò)熱部位和應(yīng)力狀態(tài)復(fù)雜部位，在停工檢修時(shí)對(duì)懷疑存在的這類部位進(jìn)行目視檢測(cè)和壁厚測(cè)定，如發(fā)現(xiàn)存在明顯變形時(shí)，要進(jìn)行表面磁粉檢測(cè)或滲透檢測(cè)，以確認(rèn)是否開裂，必要時(shí)通過(guò)金相檢查來(lái)分析損傷程度。

（2）對(duì)運(yùn)行溫度接近或高于蠕變閾值的管道焊接接頭，應(yīng)通過(guò)目視檢測(cè)確認(rèn)是否存在鼓脹、鼓包、開裂、下垂和弧狀彎曲，每隔一定周期（2～4年）進(jìn)行表面磁粉檢測(cè)或滲透檢測(cè)，必要時(shí)補(bǔ)加超聲波橫波檢測(cè)，重點(diǎn)是制造時(shí)存在缺陷或進(jìn)行返修過(guò)的部位。

（3）在最可能發(fā)生壁厚減薄的地方進(jìn)行壁厚測(cè)定。

3 結(jié)論

延遲焦化裝置，因其工況條件苛刻，加工原料劣質(zhì)，裝置內(nèi)壓力管道損傷模式有著多樣化的特點(diǎn)，故該裝置區(qū)內(nèi)壓力管道的定期檢驗(yàn)，應(yīng)在了解其使用情況、識(shí)別其損傷模式和失效模式前提下進(jìn)行，這也是最新“壓力管道定期檢驗(yàn)規(guī)則——工業(yè)管道”TSG D7005-2018 中的明確要求。總體來(lái)說(shuō)，延遲焦化裝置內(nèi)壓力管道的損傷模式，在高溫區(qū)域和低溫區(qū)域有著很大的差別，因此，在損傷模式識(shí)別上，管道的使用情況、使用材質(zhì)、工藝參數(shù)、工藝流程、安裝質(zhì)量和運(yùn)行記錄等幾個(gè)方面的資料就顯得十分重要。在了解裝置工藝參數(shù)的情況下合理運(yùn)用“承壓設(shè)備損傷模式識(shí)別GB/T 30579-2014”中的相關(guān)知識(shí)，識(shí)別不同溫度區(qū)域、不同工況條件下管道的主要損傷模式，預(yù)判出重點(diǎn)檢驗(yàn)檢測(cè)部位，從而有針對(duì)性地制定檢驗(yàn)方案，不僅讓檢驗(yàn)檢測(cè)工作有的放矢，對(duì)承壓設(shè)備的使用管理和檢修維護(hù)也有著一定借鑒意義。