催化裂化分餾塔頂油氣冷卻器濕硫化氫應(yīng)力腐蝕問題探討

路建雷

(福建省鍋爐壓力容器檢驗(yàn)研究院，福建 福州 350000)

1 前言

催化裂化作為將重組分轉(zhuǎn)化為輕質(zhì)油的核心裝置之一，催化汽油在多個(gè)國家的汽油池中比例超過50%,國內(nèi)通常在70%以上[1]。我國要求車用燃油逐步實(shí)現(xiàn)無硫化（國V車用汽柴油硫含量控制在10ppm以下），然而催化裂化汽、柴油中的硫是原料油中帶入的，如果能將原料油中硫除盡，汽柴油產(chǎn)品與再生煙氣就不需要脫硫了，但考慮到成本因素很難實(shí)施[1]。因此現(xiàn)階段煉廠往往通過一系列的工藝組合不斷降低油品中的硫含量，這也意味著部分裝置內(nèi)工藝介質(zhì)含有硫化物，存在濕硫化氫應(yīng)力腐蝕風(fēng)險(xiǎn)。

隨著原料油中硫元素含量的升高,濕硫化氫應(yīng)力腐蝕所威脅的裝置越來越多，由于應(yīng)力腐蝕屬于一種低應(yīng)力脆性破壞,斷裂前很少出現(xiàn)宏觀的塑性變形,這種毫無征兆的脆斷給生產(chǎn)帶來極大的安全隱患，嚴(yán)重阻礙著煉油裝置的長周期安全運(yùn)行[2-6]。

文中通過無損檢測(cè)發(fā)現(xiàn)的催化裂化裝置內(nèi)濕硫化氫應(yīng)力腐蝕實(shí)例，分析產(chǎn)生的原因，結(jié)合原因提出工程上應(yīng)對(duì)濕硫化氫應(yīng)力腐蝕的建議，實(shí)現(xiàn)煉廠長周期安全運(yùn)行。

2 檢測(cè)對(duì)象與方法

某廠2015年12月至2016年1月停工檢修，對(duì)催化裂化裝置某分餾塔頂油氣冷卻器（E0003）進(jìn)行無損檢測(cè)。經(jīng)查工藝流程，并與設(shè)備使用單位核實(shí)，分餾塔頂絕壓3公斤，溫度115℃，塔頂介質(zhì)為汽油、液化氣、干氣、硫化氫、水等，塔頂注緩蝕劑后經(jīng)空冷冷卻至60℃，再經(jīng)水冷冷卻至40℃。分餾塔頂油氣冷卻器（E0003）主要作用為將分餾塔頂工藝介質(zhì)進(jìn)行冷卻，殼程介質(zhì)為塔頂餾份，管程介質(zhì)為循環(huán)水。

2.1 E0003相關(guān)參數(shù)

設(shè)備殼程殼體材料為16MnR，化學(xué)成分見表1。制造時(shí)未采用焊后熱處理，帶焊縫標(biāo)識(shí)的設(shè)備簡圖如圖1所示，設(shè)備設(shè)計(jì)與操作條件見表2。

表1 材料化學(xué)成分（%）

圖1 設(shè)備簡圖

表2 設(shè)備操作與設(shè)計(jì)條件

2.2 無損檢測(cè)方法與比例

宏觀檢驗(yàn)：目視加使用5X放大鏡。

測(cè)厚儀型號(hào)：26MG型，精度±0.1mm。

磁粉機(jī)型號(hào)：CDX-Ⅲ型，紅磁膏為磁粉，水懸液（15-20）g/l為磁懸液，使用交叉磁軛法探傷，檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)為NB/T47013.4-2015[7]。

超聲機(jī)型號(hào)：HS610e，使用2.5Z8X12 K2.5型號(hào)探頭脈沖反射法單面雙側(cè)掃查，檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)為NB/T47013.3-2015[7]。

將焊縫打磨后，對(duì)設(shè)備整體進(jìn)行目視宏觀檢驗(yàn)，對(duì)設(shè)備管程、殼程殼體內(nèi)表面焊縫進(jìn)行100%磁粉檢測(cè)，在外表面用超聲對(duì)板材、焊縫進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)于重點(diǎn)部位如焊縫處進(jìn)行100%超聲檢測(cè)。

3 檢測(cè)結(jié)果與裂紋類型

對(duì)殼程殼體內(nèi)表面進(jìn)行磁粉檢測(cè)時(shí)，發(fā)現(xiàn)環(huán)縫H3、H4及縱縫Z3存在大量密集型裂紋，部分裂紋呈樹枝狀，其他位置裂紋相對(duì)較少，未噴反差劑典型磁粉檢測(cè)結(jié)果如圖2(a)所示，為更好觀察裂紋，噴上反差劑后典型磁粉檢測(cè)結(jié)果如圖2(b)所示，從圖2可清楚地看出焊縫附近的大量裂紋。

檢測(cè)結(jié)果表明裂紋主要產(chǎn)生于焊接接頭及熱影響區(qū)，并且兩環(huán)縫（H3與H4）與縱縫Z3相交的T型焊縫接頭處裂紋較多。從裂紋形態(tài)上看，斷續(xù)存在并呈網(wǎng)狀開裂及龜裂，通過金相觀察裂紋微觀形態(tài)，金相試樣結(jié)果如圖3所示，通過金相判斷，裂紋主要呈沿晶開裂。結(jié)合裂紋的形貌和開裂部位，參考相關(guān)文獻(xiàn)[8-12]，分析裂紋屬于硫化物應(yīng)力腐蝕開裂。

圖2 焊縫磁粉檢驗(yàn)結(jié)果

圖3 試樣金相分析結(jié)果

4 裂紋原因分析與處理建議

4.1 原因分析

經(jīng)查裝置歷史，裝置于2012年升級(jí)改造，改造前設(shè)備使用正常，檢測(cè)時(shí)并無裂紋報(bào)告。改造后裝置處理量提升，原油更換為沙特原油，原油中硫元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.3%，塔頂注油溶性緩蝕劑，注入量穩(wěn)定。

根據(jù)以上情況，從工藝方面分析，在油氣冷卻過程中會(huì)冷凝出液態(tài)水，硫化氫氣體部分溶解并與游離水構(gòu)成濕硫化氫環(huán)境，在殘余應(yīng)力作用下產(chǎn)生濕硫化氫應(yīng)力腐蝕開裂。雖然弱堿性緩蝕劑的注入提高了系統(tǒng)pH值，降低硫化氫含量，減緩了均勻腐蝕，但也存在處理量波動(dòng)但緩蝕劑注入量并未及時(shí)調(diào)整的情況，系統(tǒng)中的硫化氫并未被完全中和，防止?jié)窳蚧瘹鋺?yīng)力腐蝕開裂完全依靠工藝措施難度很大。

從設(shè)備方面分析，設(shè)備材料16MnR碳、錳含量高，根據(jù)國際焊接學(xué)會(huì)推薦的碳當(dāng)量計(jì)算公式[13]，計(jì)算得到板材碳當(dāng)量為0.405%，碳當(dāng)量高，焊縫與熱影響區(qū)硬度較高，加上未進(jìn)行焊后熱處理，設(shè)備在濕硫化氫環(huán)境中會(huì)存在嚴(yán)重開裂傾向，加之工藝防腐的不可靠造成了設(shè)備開裂?？紤]到環(huán)縫H3、H4一方面遠(yuǎn)離入口，此處液體相較其它位置更為穩(wěn)定，可能是游離H2S含量最高的位置，同時(shí)H3、H4處附近有開孔，受應(yīng)力集中的影響，高殘余應(yīng)力會(huì)增加硫化物應(yīng)力腐蝕開裂的敏感性[9]，造成環(huán)縫H3、H4附近裂紋較多。

4.2 處理建議

針對(duì)此臺(tái)設(shè)備給出如下處理：

（1）設(shè)備仍在原工藝介質(zhì)、工藝條件下操作會(huì)存在極大風(fēng)險(xiǎn)，建議及時(shí)更換。

（2）如仍需繼續(xù)使用此臺(tái)設(shè)備，應(yīng)對(duì)設(shè)備進(jìn)行全面檢測(cè)與評(píng)估，將發(fā)現(xiàn)的裂紋缺陷打磨消除，對(duì)打磨深度小于壁厚余量的凹坑圓滑過渡處理，打磨凹坑深度大于壁厚余量時(shí)設(shè)備應(yīng)做報(bào)廢處理。同時(shí)進(jìn)行熱處理，改善焊接接頭和熱影響區(qū)的組織和性能，降低殘余應(yīng)力。

5 對(duì)策

總結(jié)此臺(tái)設(shè)備濕硫化氫應(yīng)力腐蝕開裂原因，為實(shí)現(xiàn)煉廠長周期安全運(yùn)行，提出如下防范濕硫化氫應(yīng)力腐蝕開裂建議：

（1）工藝防腐：應(yīng)準(zhǔn)確了解設(shè)備內(nèi)工藝介質(zhì)成分，精心操作，根據(jù)當(dāng)前工藝條件、介質(zhì)參數(shù)等，適時(shí)、適量注入適合的緩蝕劑，同時(shí)保證緩蝕劑的質(zhì)量。

（2）裝置應(yīng)嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)負(fù)荷和設(shè)計(jì)條件進(jìn)行生產(chǎn)操作，對(duì)偏離設(shè)計(jì)條件的操作應(yīng)進(jìn)行嚴(yán)格評(píng)估，充分考慮工藝改變可能導(dǎo)致的諸如濕硫化氫應(yīng)力腐蝕等問題的可能性。

（3）合理選擇設(shè)備材料，存在濕硫化氫應(yīng)力腐蝕傾向時(shí)應(yīng)采用強(qiáng)度等級(jí)較低的材料，以有效降低焊縫與熱影響區(qū)的碳當(dāng)量和硬度。

（4）進(jìn)行熱處理消除殘余應(yīng)力，通過熱處理釋放焊接、冷加工等過程的殘余應(yīng)力?？刂坪缚p及熱影響區(qū)的硬度分別降到HB200、HV245以下。

（5）加強(qiáng)設(shè)備全服役周期管理并定期檢測(cè)。設(shè)備制造過程中焊接和熱處理過程應(yīng)嚴(yán)格監(jiān)控，確保設(shè)備質(zhì)量；設(shè)備停工檢修時(shí)加強(qiáng)對(duì)焊縫及熱影響區(qū)等濕硫化氫應(yīng)力腐蝕重點(diǎn)發(fā)生部位、表面制造缺陷與機(jī)械損傷處等應(yīng)力集中處的檢驗(yàn)。