液化石油氣罐鼓包分層的原因及解決措施

(中亞能源有限責(zé)任公司，吉爾吉斯斯坦 比什凱克 720001)

某公司催化裂化裝置包括反應(yīng)、再生、分餾、吸收穩(wěn)定、能量回收機(jī)組、余熱鍋爐、產(chǎn)品精制、酸性水汽提及火炬系統(tǒng)等。裝置設(shè)計(jì)的原料硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)不大于0.5%。反應(yīng)系統(tǒng)產(chǎn)生的油氣進(jìn)入分餾系統(tǒng)，分餾塔中部出柴油，底部出油漿，塔頂出汽油和富氣，富氣進(jìn)入氣壓機(jī)壓縮進(jìn)入吸收穩(wěn)定系統(tǒng)分離為穩(wěn)定汽油、液化石油氣(LPG)和干氣。高溫?zé)煔馔ㄟ^(guò)煙機(jī)后進(jìn)入低溫余熱鍋爐，尾氣排放大氣。

氣壓機(jī)出口富氣冷卻至40 ℃，進(jìn)入氣壓機(jī)出口油氣分離器進(jìn)行氣液分離。分離后的氣體進(jìn)入吸收塔，用粗汽油和穩(wěn)定汽油來(lái)吸收，經(jīng)吸收后的貧氣至再吸收塔，用輕柴油作吸收劑進(jìn)一步吸收后，干氣輸送至產(chǎn)品精制裝置脫硫。凝縮油抽出后送至解吸塔，脫乙烷汽油由塔底抽出，送至穩(wěn)定塔進(jìn)行分離，液化石油氣從塔頂餾出，經(jīng)冷卻器冷卻后一部分用作穩(wěn)定塔回流，剩余部分送至產(chǎn)品精制裝置。穩(wěn)定汽油自穩(wěn)定塔底抽出，經(jīng)一系列換熱、冷卻至40 ℃后，一部分用作補(bǔ)充吸收劑，另一部分作為產(chǎn)品外送至產(chǎn)品精制裝置。

1 問(wèn)題描述

2019年壓力容器年檢過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)穩(wěn)定塔頂液化石油氣罐存在多處鼓包、分層及器壁腐蝕等問(wèn)題，給安全生產(chǎn)帶來(lái)極大隱患，必須采取有效措施解決上述問(wèn)題?；厩闆r及操作參數(shù)見(jiàn)表1。

穩(wěn)定塔液化石油氣罐(V2303)內(nèi)鼓包共計(jì)6處，均位于東部第一塊板底部，5處鼓包位于罐底中心線以南45 cm,1處位于罐底中心線以北。鼓包直徑在8～15 mm，鼓包最高8 mm，鼓包處壁厚在6.5～8.5 mm。穩(wěn)定塔液化石油氣罐底部接管存在內(nèi)壁腐蝕及外部保溫層下腐蝕，設(shè)計(jì)壁厚 5.5 mm，實(shí)測(cè)最小壁厚3.3 mm；法蘭下接管存在保溫層下腐蝕，管材壁厚6.3 mm，彎頭處實(shí)測(cè)最小壁厚4.77 mm；穩(wěn)定塔液化氣罐底部封頭初始壁厚10 mm，實(shí)測(cè)最小壁厚8.02 mm， 穩(wěn)定塔液化石油氣罐(V2303)內(nèi)壁腐蝕較嚴(yán)重。

表1 液化石油氣罐基本情況及操作參數(shù)

2 原因分析

為查明原因，對(duì)鼓包的產(chǎn)生機(jī)理和形成過(guò)程進(jìn)行了分析，分析認(rèn)為：鼓包是由于空腔內(nèi)的氣體膨脹，壓力增大引起的。引起鼓包的氣體可以是氫氣也可能是甲烷氣體。將氣袋中的氣體分析后確認(rèn)鋼板空腔內(nèi)的氣體為氫氣而不是甲烷。因此，目前液化石油氣儲(chǔ)罐出現(xiàn)的鼓包屬于氫鼓包而不是甲烷鼓包。由于是氫氣引起的鼓包，在氫鼓包部位必有氫損傷現(xiàn)象。工藝操作參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 液化石油氣罐工藝參數(shù)

通過(guò)工藝參數(shù)分析可知：濕H2S環(huán)境下的腐蝕損傷包括硫化物應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂(SSCC)、氫鼓包、氫致開(kāi)裂和應(yīng)力導(dǎo)向氫致開(kāi)裂，它們都與鋼中氫的吸收和滲透有關(guān)。影響鋼中氫滲透的關(guān)鍵變量是pH值和使用環(huán)境的化學(xué)組成。典型情況下，在中性溶液中，氫在鋼中滲透量最小，pH值較低或較高時(shí)，其滲透量均增加。低pH值時(shí)腐蝕是由H2S引起的，高pH值時(shí)腐蝕是由硫氫化銨濃度增大引起的(H2S腐蝕環(huán)境下氨含量較高)。另外隨著H2S分壓的升高和堿性環(huán)境中氰化物的存在，氫滲透量增加。隨著H2S分壓的升高，SSCC的敏感性增大。根據(jù)對(duì)石油和天然氣生產(chǎn)環(huán)境的調(diào)查，當(dāng)氣體H2S分壓不小于 0.000 3 MPa絕壓時(shí)，只要有游離水存在，就可引起敏感鋼材發(fā)生SSCC。由于金屬內(nèi)部氫壓力過(guò)高而導(dǎo)致的表層下的平面空洞結(jié)構(gòu)稱為氫鼓包。 低強(qiáng)度金屬中，臨近表面的鼓包生長(zhǎng)通常導(dǎo)致表面鼓凸。鋼的氫鼓包包括硫化氫腐蝕過(guò)程中在金屬表面生成氫原子的吸收和擴(kuò)散。鋼中氫鼓包的發(fā)展是由于不斷聚集的原子氫在金屬內(nèi)部某些部位結(jié)合生成分子氫并不斷集聚的結(jié)果。氫分子因?yàn)樘蠖荒茉阡撝袛U(kuò)散。形成氫鼓包的典型部位是鋼中大的非金屬夾雜物、分(夾)層及其他不連續(xù)結(jié)構(gòu)處，不同于高溫氫腐蝕引起的白點(diǎn)和開(kāi)裂。

由此可知，該罐的分層、鼓包及腐蝕是罐內(nèi)濕H2S環(huán)境導(dǎo)致，低溫硫腐蝕由于H2S以及其他硫化物引起的腐蝕，溫度在120 ℃以下。低溫下H2S在沒(méi)有液態(tài)水時(shí)(氣相狀態(tài))對(duì)設(shè)備腐蝕很輕，或基本無(wú)腐蝕，但在氣相液相的相變部位出現(xiàn)凝結(jié)水之后則形成H2S-H2O型腐蝕，主要發(fā)生在分餾塔頂冷凝、回流低溫管道以及吸收穩(wěn)定塔頂管道，如催化燃料氣分液罐底部放空線、吸收解吸塔底連通線焊縫等。另外，含硫污水中的氨鹽NH4HS和NH4Cl會(huì)引起金屬材料垢下腐蝕。

3 解決措施

減緩或遏制腐蝕的方法主要有兩點(diǎn)：第一加強(qiáng)催化原料調(diào)和管理，防止原料硫含量超標(biāo)或大幅波動(dòng)；第二借鑒國(guó)內(nèi)防腐蝕的成功經(jīng)驗(yàn)對(duì)分餾塔頂、凝縮油罐及液化石油氣回流罐的強(qiáng)制水洗進(jìn)行改造采用水洗噴嘴進(jìn)料，加強(qiáng)水洗水霧化、混合效果，且水洗量提高至處理量的15%以上，以此來(lái)水洗液化石油氣中硫化物，同時(shí)也能稀釋酸性水pH值，降低酸性水對(duì)設(shè)備的腐蝕，生產(chǎn)期間加強(qiáng)酸性水各項(xiàng)指標(biāo)的監(jiān)控，及時(shí)調(diào)整水洗量。

根據(jù)壓力容器年檢單位提供的探傷檢測(cè)和磁粉探傷結(jié)果顯示，該罐不存在鼓包裂紋或腐蝕開(kāi)裂現(xiàn)象，根據(jù)《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》，確認(rèn)分層不影響壓力容器安全使用的，可以定為3級(jí)，否則定為4級(jí)或5級(jí)。對(duì)于小面積分層，由于對(duì)筒體整體應(yīng)力情況影響不大，可以定為4級(jí)，監(jiān)測(cè)分層擴(kuò)展情況及桶體表面情況；對(duì)于大面積分層，考慮到分層面積過(guò)大并與鼓包同時(shí)存在，材料力學(xué)性能降低，同時(shí)分層測(cè)厚值在6～9 mm，小于容器筒體計(jì)算壁厚11.12 mm，故建議采取補(bǔ)救措施。具體補(bǔ)救修復(fù)方案如下：

(1)消氫處理。在鼓包相應(yīng)的容器外壁部位鉆排氣孔，直徑6 mm，深度同外側(cè)測(cè)量壁厚，排掉鼓包里的氣體，疏放壓力。在容器其他部位修復(fù)結(jié)束，壓力試驗(yàn)前，用電焊將排氣孔堵焊。將容器整體加熱至300～350 ℃，保溫時(shí)間為8～12 h進(jìn)行消氫。溫度必須嚴(yán)格控制，溫度過(guò)高雖有利于消氫，但影響容器的強(qiáng)度；溫度過(guò)低，則不利于消氫。

(2)筒體更換。對(duì)第一筒節(jié)分層部位采取挖補(bǔ)方案進(jìn)行修復(fù)。材料選用與原設(shè)計(jì)相同的Q245R鋼板，厚度為16 mm。焊接完成后，按原設(shè)計(jì)要求，對(duì)焊縫進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，對(duì)射線100%射線探傷，2-Ⅱ 級(jí)合格，角焊縫進(jìn)行100%磁粉或滲透檢測(cè)[1]。 以上所有工作結(jié)束后，按要求進(jìn)行水壓試驗(yàn)[2]。

4 結(jié) 語(yǔ)

壓力容器的腐蝕問(wèn)題是制約裝置長(zhǎng)周期運(yùn)行的關(guān)鍵因素，按期開(kāi)展年度檢驗(yàn)工作，對(duì)上次檢驗(yàn)時(shí)保留未處理的缺陷或壁厚減薄部位進(jìn)行復(fù)查，必要時(shí)進(jìn)行更換。對(duì)含有濕H2S腐蝕的部位加強(qiáng)質(zhì)量巡檢，制定并實(shí)施定點(diǎn)測(cè)厚方案。檢驗(yàn)時(shí)應(yīng)對(duì)濕H2S環(huán)境下的碳鋼設(shè)備、管道的焊縫進(jìn)行焊縫硬度、無(wú)損檢測(cè)抽查，若其硬度不符合要求，應(yīng)重新進(jìn)行熱處理。對(duì)于高空管道以及難以滿足檢驗(yàn)條件的管道，建議采用超聲導(dǎo)波檢測(cè)進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)和隱患排查。目前的腐蝕監(jiān)測(cè)方法主要偏重于均勻腐蝕的監(jiān)測(cè)，而造成腐蝕失效或者腐蝕泄漏的主要腐蝕形式往往是局部腐蝕，因此仍需引進(jìn)新型腐蝕監(jiān)測(cè)技術(shù)，提高監(jiān)測(cè)局部腐蝕(點(diǎn)蝕、應(yīng)力腐蝕等)的水平。