蒸餾裝置穩(wěn)定塔空冷器失效分析與防護(hù)

(中國(guó)石化青島煉油化工有限責(zé)任公司，山東 青島 266500)

常減壓蒸餾裝置是煉化企業(yè)原油加工過(guò)程的第一套裝置，為下游裝置提供原料。為回收原油中的輕烴組分，改善產(chǎn)品質(zhì)量，提高裝置的經(jīng)濟(jì)效益，裝置設(shè)有輕烴回收系統(tǒng)，回收常頂氣中的輕烴組分。常頂氣經(jīng)壓縮與石腦油混合換熱后進(jìn)入穩(wěn)定塔進(jìn)行分餾，穩(wěn)定塔頂物料為液化石油氣和少量干氣，介質(zhì)中氯化物和硫化物含量較高。為保證冷卻效果和抗腐蝕能力，穩(wěn)定塔頂空冷器一般采用板式濕空冷器，多臺(tái)并列設(shè)置，空冷器板片材質(zhì)一般選擇2205雙相不銹鋼。

2205雙相不銹鋼由鐵素體(α相)和奧氏體(γ相)組成，同時(shí)具有鐵素體不銹鋼導(dǎo)熱系數(shù)高，熱膨脹系數(shù)小，超塑性好和奧氏體不銹鋼良好的耐點(diǎn)蝕、耐晶間腐蝕及耐應(yīng)力腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，其屈服強(qiáng)度大約是奧氏體不銹鋼的2倍，疲勞強(qiáng)度高于奧氏體不銹鋼，在冶金、化工、能源及近海工程等領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛[1]。某煉化企業(yè)新投用的2205板式空冷器運(yùn)行不到1 a，相繼發(fā)現(xiàn)空冷器板片出現(xiàn)裂紋發(fā)生泄漏。由于泄漏介質(zhì)屬于可燃介質(zhì)，燃爆危險(xiǎn)性大，同時(shí)含高濃度硫化氫，安全風(fēng)險(xiǎn)較高。為了找出板束開(kāi)裂原因，提出防護(hù)技術(shù)措施，對(duì)空冷器板片的腐蝕開(kāi)裂開(kāi)展失效分析，分析泄漏原因，提出改進(jìn)措施。

1 穩(wěn)定塔頂氣相工藝流程

某公司10 Mt/a常減壓蒸餾裝置穩(wěn)定塔頂油氣經(jīng)穩(wěn)定塔頂空冷器由60 ℃冷卻至40 ℃后進(jìn)入穩(wěn)定塔頂回流及產(chǎn)品罐。罐頂?shù)牟荒龤馀c壓縮后的常頂干氣合并后去焦化裝置；冷凝液經(jīng)穩(wěn)定塔頂回流及產(chǎn)品泵抽出后分兩路，一路送回穩(wěn)定塔頂作回流，另一路作為液化石油氣出裝置。

穩(wěn)定塔頂氣相流程見(jiàn)圖1。

圖1 穩(wěn)定塔頂氣相流程示意

穩(wěn)定塔頂空冷器2008年投入使用，在2016年前使用周期為6～8年，2016年更新空冷器投用后，1 a時(shí)間內(nèi)相繼發(fā)生泄漏，2017年12月再次更新投用后，運(yùn)行至2018年上半年幾個(gè)月內(nèi)再次發(fā)生泄漏。運(yùn)行時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于設(shè)備的正常運(yùn)行周期，設(shè)備可靠運(yùn)行時(shí)間大大降低。

2 失效分析

2.1 失效部位

穩(wěn)定塔頂空冷器共3臺(tái)，每臺(tái)2片，并列布置，空冷器規(guī)格參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 空冷器規(guī)格參數(shù)

失效部位均集中位于穩(wěn)定塔頂板式空冷器2205雙相不銹鋼兩板片貼合處和管箱鑲塊夾持的邊緣焊縫部位，泄漏部位見(jiàn)圖2。

圖2 空冷器泄漏部位

2.2 運(yùn)行分析

穩(wěn)定塔頂空冷器管程介質(zhì)主要為含硫、氯離子污水、液化石油氣和少量不凝氣，腐蝕性雜質(zhì)主要包括硫化氫和氯離子溶液；空冷器外噴軟化水，密閉循環(huán)使用。

介質(zhì)組成見(jiàn)表2。

表2 介質(zhì)組成

從穩(wěn)定塔頂介質(zhì)組成來(lái)看，穩(wěn)定塔頂空冷器存在濕硫化氫和氯離子的腐蝕機(jī)理，對(duì)空冷器的長(zhǎng)周期運(yùn)行有不利作用。經(jīng)過(guò)1 a內(nèi)對(duì)穩(wěn)定塔頂含硫污水的氯離子、鐵離子及pH值分析來(lái)看，除氯離子有短時(shí)間波動(dòng)，含硫污水的組成沒(méi)有明顯變化，均在指標(biāo)范圍內(nèi)。

穩(wěn)定塔含硫污水氯離子、鐵離子及pH值趨勢(shì)見(jiàn)圖3。

圖3 含硫污水?dāng)?shù)據(jù)

對(duì)失效空冷器出入口管線進(jìn)行測(cè)厚，原始厚度為11 mm，未發(fā)現(xiàn)明顯腐蝕，測(cè)厚數(shù)據(jù)見(jiàn)圖4。

圖4 測(cè)厚數(shù)據(jù)

將入口管線短接拆下觀察，亦未發(fā)現(xiàn)有明顯的腐蝕痕跡。從穩(wěn)定塔頂回流罐處腐蝕探針來(lái)看,也沒(méi)有明顯變化，穩(wěn)定回流罐腐蝕速率趨勢(shì)見(jiàn)圖5。

圖5 穩(wěn)定回流罐腐蝕速率

從介質(zhì)組成、測(cè)厚數(shù)據(jù)和腐蝕速率來(lái)看，腐蝕介質(zhì)的組成基本穩(wěn)定，沒(méi)有出現(xiàn)明顯的上升，腐蝕速率也沒(méi)有明顯變化，說(shuō)明設(shè)備本體并沒(méi)有出現(xiàn)大面積的腐蝕，介質(zhì)組成腐蝕特性并不是空冷器運(yùn)行周期急劇縮短的主要原因。

2.3 失效分析

2.3.1 試樣分析

空冷器板束結(jié)構(gòu)為2205薄板片壓制成型，兩邊薄板組焊并與夾持鑲塊焊接固定后，再與管箱端板焊接構(gòu)成，圖6為空冷板束的基本結(jié)構(gòu)。

圖6 空冷板束結(jié)構(gòu)

對(duì)失效空冷板片取樣分析，試樣經(jīng)PT滲透檢測(cè)確定裂紋位置，使用角磨機(jī)去除夾持鑲塊，板片板邊氬弧焊焊縫缺失的部位為原鑲塊位置。從圖7中可見(jiàn)裂紋較平直，位于電阻焊焊縫內(nèi)部且擴(kuò)展方向平行于焊接方向，裂紋的一端與鑲塊的邊緣位置在縱向位置上接近。板片表面除一處裂紋外未見(jiàn)其他缺陷。

圖7 試樣宏觀形貌

對(duì)失效板片母材、焊縫部位截取試樣進(jìn)行成分、金相及電鏡分析，分析部位和方法見(jiàn)圖8，其中1號(hào)部位為靠近管箱夾持鑲塊的板片部位。

2.3.2 成分分析

失效空冷器板片材質(zhì)為2205雙相不銹鋼，國(guó)產(chǎn)板片，根據(jù)GB/T 11170—2008對(duì)板片母材進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果見(jiàn)表3。分析結(jié)果表明母材材料化學(xué)成分滿足ASTM A240標(biāo)準(zhǔn)要求，但Cr,Mo含量均靠近下限。

圖8 試樣分析部位

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2.3.3 金相分析

試樣經(jīng)機(jī)械拋光，采用10%草酸水溶液電解腐蝕，對(duì)應(yīng)的金相組織分析見(jiàn)表4、圖9至圖10，結(jié)果表明母材組織中鐵素體和奧氏體兩相比例滿足要求，焊縫組織中鐵素體含量過(guò)高，局部超出90%。一般要求鐵素體含量不超過(guò)70%。

表4 金相組織分析

圖9至圖10為試樣不同部位的金相組織對(duì)比圖。

圖9 1號(hào)部位金相組織

圖10 2號(hào)部位金相組織

金相分析結(jié)果表明母材組織細(xì)小致密，組織為鐵素體加奧氏體，比例滿足40%～60%標(biāo)準(zhǔn)要求；焊縫區(qū)晶粒組織比母材粗大，金相組織以鐵素體為主，尤其是電阻焊部位，鐵素體含量超過(guò)90%，已經(jīng)失去雙相鋼的原有金屬組織特性。

對(duì)樣品的硬度檢測(cè)結(jié)果表明局部硬度高于HRC30，說(shuō)明有脆性相析出，通常應(yīng)控制母材和焊接接頭的硬度值不大于HRC25較為合適[2]。

2.3.4 微觀形貌分析

采用掃描電子顯微鏡(SEM)對(duì)斷口的微觀形貌進(jìn)行觀察分析，取樣部位見(jiàn)圖11，對(duì)試樣裂紋斷口及周圍的微觀形貌進(jìn)行觀察分析，發(fā)現(xiàn)斷口部位具有明顯的腐蝕微觀形貌，見(jiàn)圖11(a)，且表現(xiàn)出解理斷口的特征，可見(jiàn)明顯的“扇形”花樣和解理臺(tái)階，見(jiàn)圖11(b)。

圖11 斷口部位腐蝕形貌

兩板片的連接處即電阻焊縫部位形成一條約40 μm寬的溝槽，見(jiàn)圖12(a)，溝槽內(nèi)呈現(xiàn)出解理斷裂的特征，見(jiàn)圖12(b)。

圖12 焊縫部位腐蝕形貌

從斷口微觀形貌和解理圖樣分析斷裂是由兩板片內(nèi)表面貼合處的腐蝕引起，并且是在應(yīng)力的作用下發(fā)生的。

對(duì)試樣板片內(nèi)表面的腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行EDS成分分析，結(jié)果見(jiàn)圖13。由圖13可見(jiàn)，腐蝕產(chǎn)物中存在較多的硫化物和氯化物。

2.3.5 試驗(yàn)結(jié)果

(1)材料母材化學(xué)成分滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，但Cr，Mo含量靠近下限。

(2)金屬組織由奧氏體和鐵素體兩相組成，母材組織兩相比例正常，焊縫組織中鐵素體含量嚴(yán)重偏高。

(3)在板片的斷裂部位兩板片貼合焊縫處觀察到明顯腐蝕，在斷口表面存在氯和硫的應(yīng)力腐蝕斷裂的解理特征。

(4)腐蝕產(chǎn)物中含有較多的氯元素和一定量的硫元素。

圖13 試樣腐蝕產(chǎn)物EDS分析結(jié)果

3 失效原因綜合分析

3.1 腐蝕因素

在兩板片貼合處表面以及電阻焊焊縫部位，由于結(jié)構(gòu)原因，介質(zhì)腐蝕產(chǎn)生的腐蝕產(chǎn)物以及原料中的雜質(zhì)等容易在兩板片電阻焊貼合處形成的窄間隙中沉積，并且腐蝕產(chǎn)物中含有較多的氯和硫元素，進(jìn)而為垢下腐蝕和縫隙腐蝕創(chuàng)造了條件，促進(jìn)了腐蝕的擴(kuò)展。

3.2 焊接工藝

當(dāng)雙相不銹鋼焊接接頭中的鐵素體和奧氏體含量各接近50%時(shí)，雙相不銹鋼焊接接頭性能較好，接近母材的性能。改變這個(gè)比例關(guān)系，將使雙相不銹鋼焊接接頭的耐蝕性能和力學(xué)性能 (尤其是韌性 )下降[3]。在2205雙相不銹鋼焊接過(guò)程中，受熱循環(huán)作用，焊縫金屬?gòu)母邷乩鋮s時(shí)鐵素體向奧氏體的轉(zhuǎn)變極不平衡，該轉(zhuǎn)變和焊縫的成分、冷卻速度有關(guān)[4]。凝固點(diǎn)至1 200 ℃，所有雙相不銹鋼的金相組織全部由鐵素體組成，奧氏體是在1 200～800 ℃冷卻過(guò)程中從鐵素體析出的，而奧氏體析出的多少受諸多因素的影響。過(guò)低的焊接線能量，尤其是板片與端板焊接部位，由于熱擴(kuò)散較為迅速，快速冷卻導(dǎo)致熱影響區(qū)和焊縫組織奧氏體來(lái)不及析出，鐵素體含量過(guò)高，大大降低了耐腐蝕性能和力學(xué)性能，而且由于焊接熱循環(huán)的作用，在焊接時(shí)相當(dāng)于對(duì)焊縫及熱影響區(qū)進(jìn)行局部熱處理，焊縫金屬處于熱力不平衡狀態(tài)，采用同質(zhì)焊接材料和填絲焊材料或者焊絲填充量不足時(shí)，會(huì)導(dǎo)致焊縫金屬的鐵素體含量大大增加，甚至出現(xiàn)純鐵素體,使得機(jī)械性能和耐腐蝕性能下降[5]。

從結(jié)構(gòu)上分析，由于空冷器板片上鑲塊夾持的邊緣部位結(jié)構(gòu)不連續(xù)，成型焊道后續(xù)又經(jīng)過(guò)多次焊接，造成焊縫處雙相鋼金屬組織熱輸入不平衡，局部有δ相析出[6]，在周圍形成貧鉻區(qū)，材質(zhì)劣化嚴(yán)重，抗腐蝕能力大大降低。焊縫處金屬組織不連續(xù)成為應(yīng)力集中區(qū)，在工藝介質(zhì)中硫、氯等腐蝕元素的作用下，發(fā)生板片焊縫組織的應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂，斷裂機(jī)理為解理斷裂。

4 控制措施

4.1 材料控制

換熱板片應(yīng)用進(jìn)口2205薄板，板片用材的牌號(hào)和化學(xué)成分應(yīng)滿足ASTMA240/A240M-2017相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，且Cr,Mo含量應(yīng)在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)含量靠上限，盡量降低材料雜質(zhì)含量，提高抗腐蝕能力。

4.2 焊接工藝控制

(1)板片長(zhǎng)條焊縫采用電阻焊+鎢極氬弧焊(GTAW)封邊，除此之外的鑲塊、端板焊縫的焊接全部采用鎢極氣體氬弧焊，且采用填絲焊。焊接材料應(yīng)符合《承壓設(shè)備用焊接材料訂貨技術(shù)條件》的要求，管頭、端板等部位焊材應(yīng)選用與進(jìn)口板片相配套的鎳、氮含量高的焊絲，促進(jìn)焊縫組織奧氏體的形成。

(2)氬弧焊和電阻焊應(yīng)進(jìn)行焊接工藝評(píng)定，不進(jìn)行焊前預(yù)熱和焊后熱處理，避免δ相析出，并確定合理的焊接熱輸入量，實(shí)施焊接時(shí)，應(yīng)控制層間溫度小于150 ℃，保護(hù)氣體選98%Ar+2%N2，其中添加適量N2是彌補(bǔ)焊縫處的氮損失，氮可以增加焊縫組織中奧氏體的比例。

(3)焊接接頭的收弧焊道應(yīng)覆蓋起始焊道，兩層焊接中根部焊道應(yīng)被后一道的焊道充分覆蓋，且焊縫的起弧、收弧點(diǎn)應(yīng)相互錯(cuò)開(kāi)。

(4)調(diào)整焊接工序，降低板片夾持鑲塊部位的焊接次數(shù)，降低焊縫部位的應(yīng)力。控制焊接電流，維持合適的焊接線能量輸入，既要避免降溫過(guò)快奧氏體含量過(guò)低，又要避免溫度過(guò)高導(dǎo)致金屬組織δ相析出，應(yīng)保持板片母材區(qū)域奧氏體含量為40%～60%，焊縫及熱影響區(qū)、焊接接頭進(jìn)行奧氏體含量檢測(cè)，含量控制在30%～70%。

4.3 介質(zhì)腐蝕組分控制

從工藝源頭控制原油組分中硫、氯含量不超標(biāo)，運(yùn)行介質(zhì)參數(shù)、組成有較大波動(dòng)時(shí)，及時(shí)調(diào)整塔頂負(fù)荷，避免設(shè)備短時(shí)間內(nèi)受高濃度腐蝕組分沖擊，引發(fā)腐蝕泄漏。

4.4 防腐控制

(1)維持穩(wěn)定塔頂緩蝕劑注入，調(diào)整緩蝕劑的抑制腐蝕的方向以偏抗硫化氫為主，并控制緩蝕劑的pH值中性或弱堿性。

(2)空冷內(nèi)部管箱端板與板片夾持鑲塊的所有焊縫應(yīng)滿刷涂防腐漆，入口端外部板片自上端板向下500 mm高度刷涂防腐漆，防腐漆應(yīng)保證耐濕熱溫度200 ℃以上。

5 結(jié) 語(yǔ)

常減壓蒸餾裝置穩(wěn)定塔頂板式空冷器采用2205雙相鋼板片，應(yīng)從材料來(lái)源加強(qiáng)控制，應(yīng)用雜質(zhì)含量低的優(yōu)質(zhì)板片，并應(yīng)制定合適的焊接工藝，確保焊縫部位和熱影響區(qū)的鐵素體和奧氏體含量比例合適，避免有害中間相的析出，保證材料本身的抗腐蝕性不受影響。并應(yīng)加強(qiáng)運(yùn)行管理，著重控制介質(zhì)中硫、氯含量不超標(biāo)，采用注緩蝕劑、內(nèi)部防腐涂料等方式加強(qiáng)設(shè)備的抗腐蝕能力，延長(zhǎng)設(shè)備運(yùn)行周期。