承壓設(shè)備和管線損傷案例分析與識(shí)別

張立德

（中石化安慶分公司設(shè)備工程部，安徽安慶246002）

石油化工企業(yè)中承壓類(lèi)設(shè)備（壓力容器、壓力管道等）眾多，其基本特點(diǎn)是使用介質(zhì)大多高溫高壓、有毒有害，一旦在使用過(guò)程中因損傷而最終導(dǎo)致失效，可能會(huì)造成較大的安全事故。再者，導(dǎo)致石化企業(yè)承壓設(shè)備損傷的因素十分復(fù)雜，設(shè)計(jì)、制造、安裝乃至使用與維護(hù)各個(gè)環(huán)節(jié)均存在導(dǎo)致?lián)p傷和失效的可能性[1]。例如，制造安裝過(guò)程中的焊接缺陷，使用過(guò)程中內(nèi)部腐蝕性介質(zhì)和外部環(huán)境共同作用，工藝調(diào)整對(duì)設(shè)備造成的沖刷、震動(dòng)等。因此，對(duì)在用石化承壓設(shè)備損傷模式的有效識(shí)別，既是石化系統(tǒng)設(shè)備管理重點(diǎn)關(guān)注的課題，也是確保石化裝置整體安全平穩(wěn)運(yùn)行的有效保障。GB/T 30579-2014《承壓設(shè)備損傷模式識(shí)別》（文中簡(jiǎn)稱GB/T 30579-2014）的發(fā)布，不僅為石化企業(yè)服役設(shè)備的檢測(cè)和評(píng)估提供了較為明確的指導(dǎo)依據(jù)，更有助于使用單位在設(shè)備發(fā)生失效前及時(shí)進(jìn)行修復(fù)或報(bào)廢處理，從而減少和杜絕安全事故的發(fā)生。

本文擇取我公司催化裂化、延遲焦化裝置在檢修過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的3個(gè)較為典型的承壓設(shè)備和管線損傷實(shí)例，嘗試?yán)肎B/T 30579-2014中相關(guān)知識(shí)，結(jié)合設(shè)備的使用情況、工藝條件進(jìn)行分析與識(shí)別，最終推斷出問(wèn)題設(shè)備的損傷模式，并建議針對(duì)導(dǎo)致設(shè)備損傷主要影響因素采取相應(yīng)措施，從而使得設(shè)備的使用管理、維護(hù)檢修依據(jù)明確并有章可循，更希望能為精確分析設(shè)備管理薄弱環(huán)節(jié)，提升設(shè)備運(yùn)行可靠度提供有益的技術(shù)支撐。

1 煉油部催化裂化反應(yīng)器頭蓋表面開(kāi)裂

1.1 設(shè)備損傷形態(tài)概述

檢修中發(fā)現(xiàn)，煉油部催化裂化裝置反應(yīng)器（R301）頭蓋表面開(kāi)裂，材質(zhì)為S30408不銹鋼。裂紋起源于設(shè)備表面，呈樹(shù)枝狀，實(shí)測(cè)最大裂紋深度3 mm。壁厚測(cè)定數(shù)據(jù)顯示，無(wú)明顯腐蝕減薄。

1.2 設(shè)備損傷模式的推斷及產(chǎn)生原因分析

僅從反應(yīng)器（R301）頭蓋的損傷形態(tài)粗略推斷，與GB/T 30579-2014中介紹的“氯化物應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂”較為符合，但是否確為此類(lèi)損傷，至少還要考慮以下兩個(gè)方面：一是要明確設(shè)備使用材質(zhì)對(duì)氯離子應(yīng)力腐蝕的敏感性；二是要分析是否存在與產(chǎn)生此類(lèi)損傷模式所對(duì)應(yīng)的外部環(huán)境因素。據(jù)GB/T 30579-2014中介紹，此種損傷的生成，是設(shè)備在拉應(yīng)力、溫度和氯化物水溶液的共同作用下產(chǎn)生的起源于表面的開(kāi)裂，裂紋產(chǎn)生的原因及主要影響因素與設(shè)備使用材質(zhì)對(duì)應(yīng)力腐蝕的敏感性、所處的環(huán)境溫度、氯化物濃度、設(shè)備伴熱情況和蒸發(fā)條件、環(huán)境的pH值以及應(yīng)力的大小有關(guān)。

遵循上述兩條路徑分析煉油部催化裂化反應(yīng)器（R301）頭蓋，所用材質(zhì)屬于氯離子應(yīng)力腐蝕敏感材料。相對(duì)普通城區(qū)，所處的廠區(qū)大氣環(huán)境偏酸性，降雨中相對(duì)其他大氣環(huán)境區(qū)域氯離子含量偏高。該設(shè)備存在保溫層覆蓋及伴熱蒸發(fā)條件，考慮到煉油設(shè)備的保溫材料大多是礦物經(jīng)煅燒、粘結(jié)加工而成，而礦物質(zhì)中含大量的無(wú)機(jī)鹽，制成的保溫材料中也含有氯化物、氟化物和硫化物等有害的腐蝕成分；另外保溫材料為多孔結(jié)構(gòu)，有較大的表面積和豐富的毛細(xì)管，因而具有較強(qiáng)的吸附力和吸水力。腐蝕性雜質(zhì)和水作用形成強(qiáng)的電解溶液，本身就對(duì)設(shè)備金屬有很強(qiáng)的腐蝕能力。如保溫保護(hù)層覆蓋不嚴(yán)密出現(xiàn)破損，外部雨水進(jìn)入并在層下存積，很容易在設(shè)備表面形成干-濕、水-汽交替的環(huán)境，從而導(dǎo)致氯化物局部濃縮，增加應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的敏感性。因此，煉油二部催化裂化裝置反應(yīng)器R301頭蓋，所用材質(zhì)、所處環(huán)境以及產(chǎn)生的損傷形態(tài)基本與“氯離子應(yīng)力腐蝕”模式相符，故可認(rèn)定為此種損傷模式。

1.3 主要預(yù)防措施及處理建議

GB/T 30579-2014中對(duì)“氯離子應(yīng)力腐蝕”的預(yù)防，在選擇耐應(yīng)力腐蝕材質(zhì)、降低用水氯含量、敷涂材料表面涂層、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上避免氯化物沉積、消除應(yīng)力、降低表面粗糙度以減少氯化物沉積等幾方面提出了具體措施。而就在用設(shè)備反應(yīng)器（R301）頭蓋的實(shí)際情況而言，材質(zhì)選擇與整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)已無(wú)法改變，故提高設(shè)備表面要求并降低粗糙度，做好表面涂層避免材料直接接觸腐蝕介質(zhì)流體，用水要注意控制水中氯離子含量，完善保溫結(jié)構(gòu)并杜絕雨水侵入，防止水中氯化物在層下沉積，減少氯化物濃縮條件等幾個(gè)方面，是施工方案中應(yīng)著重考慮的問(wèn)題。

2 煉油部焦炭塔頂油氣線焊縫裂紋

2.1 設(shè)備損傷形態(tài)概述

煉油部延遲焦化裝置，在某次停工檢修時(shí)經(jīng)射線檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，該裝置一條焦炭塔頂油氣線，其直管與法蘭連接焊縫發(fā)現(xiàn)多處裂紋，見(jiàn)圖1。

圖1 直管與法蘭連接焊縫裂紋

2.2 設(shè)備損傷模式的推斷及產(chǎn)生原因分析

由于裂紋屬于不允許缺陷，該問(wèn)題引起使用單位高度重視，而對(duì)于產(chǎn)生裂紋的原因，筆者認(rèn)為至少也要考慮兩方面的可能性：一是焊接質(zhì)量原因；二是在使用過(guò)程中由相應(yīng)的損傷模式導(dǎo)致。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，該焊縫位于油氣線直管與法蘭連接處，材質(zhì)為1Cr5Mo，硬度值明顯偏高（大于HB300）。

首先，從焊接質(zhì)量角度分析，發(fā)現(xiàn)裂紋的焊縫材質(zhì)為1Cr5Mo，屬低合金鋼，焊接過(guò)程容易產(chǎn)生冷裂紋，分析重點(diǎn)要針對(duì)焊接過(guò)程中產(chǎn)生冷裂紋的三要素——擴(kuò)散氫、淬硬組織、拉伸應(yīng)力，從而加強(qiáng)質(zhì)量控制，避免制造和安裝過(guò)程中此類(lèi)缺陷的產(chǎn)生；其次，從在用承壓設(shè)備損傷模式角度分析，應(yīng)在考慮延遲焦化裝置內(nèi)已歸納出的損傷模式種類(lèi)前提下，重點(diǎn)關(guān)注問(wèn)題部位的使用情況和損傷模式；GB/T 30579-2014中對(duì)焦化塔頂油氣線可能存在的損傷模式歸納出3種，分別是高溫硫化物腐蝕、蠕變和熱疲勞。從焦炭塔頂油氣線焊縫的實(shí)際損傷形態(tài)和硬度檢測(cè)結(jié)果來(lái)看，筆者傾向于認(rèn)定該損傷主要為熱疲勞和蠕變共同作用生成，原因如下：一是兩種模式損傷形態(tài)較為相符；二是使用情況與損傷敏感性較為吻合。從損傷形態(tài)來(lái)看，兩種損傷最終均有裂紋產(chǎn)生，蠕變損傷形態(tài)是初始階段一般無(wú)明顯特征，在中后期形成微裂紋，最后形成宏觀裂紋。而熱疲勞的損傷形態(tài)是始發(fā)于受熱表面熱應(yīng)變最大區(qū)域，一般有若干個(gè)疲勞裂紋，裂紋垂直于應(yīng)力方向從表面向壁厚深度方向發(fā)展，以單個(gè)或多個(gè)形式出現(xiàn)。從損傷敏感性來(lái)看，蠕變損傷速率對(duì)應(yīng)力和溫度比較敏感，而熱疲勞損傷對(duì)溫度變化幅度和頻率、截面變化處的應(yīng)力集中均十分敏感。

本次檢測(cè)發(fā)現(xiàn)的焊縫裂紋，其管道材質(zhì)是1Cr5Mo，為蠕變和熱疲勞損傷發(fā)生的敏感材料，損傷焊縫位于直管與法蘭連接處，既屬于應(yīng)力集中部位，也是截面變化處。由于位于直管與法蘭連接處，受保溫條件影響，還存在溫度變化的可能性，實(shí)測(cè)硬度值異常，說(shuō)明存在材質(zhì)劣化的可能性。因此，由于損傷發(fā)生的形態(tài)、部位、材質(zhì)、敏感性以及使用溫度（溫度變化）等情況與蠕變和熱疲勞損傷發(fā)生的主要影響因素較為吻合，故基本可推斷為兩種損傷模式共同作用的結(jié)果。

3 煉油部焦炭塔頂進(jìn)料線腐蝕穿孔

3.1 設(shè)備損傷形態(tài)概述

煉油部在一次對(duì)焦炭塔頂部進(jìn)料線進(jìn)行壁厚測(cè)定時(shí)發(fā)現(xiàn)，該管線多個(gè)新更換的彎頭存在嚴(yán)重的減薄，其中R1、R4兩個(gè)彎頭更是在管道投用后3周就已腐蝕穿孔，具體位置見(jiàn)圖2。

3.2 設(shè)備損傷模式的推斷及產(chǎn)生原因分析

圖2 焦炭塔頂進(jìn)料線腐蝕泄漏部位示意圖

考慮到焦炭塔頂油氣線可能存在的高溫硫化物腐蝕、蠕變和熱疲勞等三種損傷模式的發(fā)生到失效，都有一個(gè)較長(zhǎng)的時(shí)間過(guò)程，且損傷形態(tài)不同并發(fā)生于焊縫及熱影響區(qū)等應(yīng)力較高部位，而本次管線彎頭損傷形態(tài)為嚴(yán)重減薄并失效極快，由此筆者認(rèn)為應(yīng)當(dāng)考慮是因工藝調(diào)整而引入的其他損傷模式。如在焦化原料中摻煉的油漿比例過(guò)高，那么油漿中夾帶的催化劑粉末對(duì)管道沖刷造成的影響，就應(yīng)該作為導(dǎo)致管道失效的另一重要影響因素予以認(rèn)真分析和評(píng)估。

中石化、中石油多個(gè)分公司均有焦化原料摻混催化油漿的加工經(jīng)驗(yàn)，中石化專(zhuān)項(xiàng)調(diào)研認(rèn)為其不失為調(diào)和燃料油之外的一個(gè)便捷選擇。據(jù)了解，目前我公司煉油部延遲焦化裝置也在摻煉一定比例的催化油漿。通過(guò)查閱相關(guān)資料發(fā)現(xiàn)，催化油漿的典型性質(zhì)是密度大，氫碳比低，芳烴飽和分含量高，膠質(zhì)瀝青質(zhì)含量低，殘?zhí)恐档?，且催化油漿的產(chǎn)量較大，一般占催化裂化處理量的5%～10%。從摻煉的生產(chǎn)結(jié)果來(lái)看，摻煉后總體液體收率降低，焦炭產(chǎn)率增加，蠟油性質(zhì)變劣[2]。

從焦化裝置設(shè)備損傷模式角度分析，油漿去焦化裝置，其中部分灰分會(huì)在原料換熱流程（一般走殼層）、泵閥塔器等低流速點(diǎn)沉積結(jié)垢，油漿中的灰分還具有強(qiáng)吸附性和結(jié)焦母體的潛質(zhì)，從而導(dǎo)致在分餾塔底、輻射進(jìn)料泵、加熱爐高溫區(qū)域等處結(jié)焦速率加快，進(jìn)而致使塔底過(guò)濾器清理頻繁。此外最為重要的一點(diǎn)是，油漿灰分的主要成分是由1～5 μm的硬質(zhì)催化劑細(xì)粉構(gòu)成，其在裝置系統(tǒng)中隨著原料（摻煉油漿的高溫油氣）高速運(yùn)行，會(huì)對(duì)輻射泵葉輪、筏板、加熱爐爐管、輻射段出口轉(zhuǎn)油線、爐管及管線的變徑、三通、彎頭處造成較為嚴(yán)重的沖刷和腐蝕，成為影響焦化裝置設(shè)備平穩(wěn)運(yùn)行的嚴(yán)重安全隱患。

作為損傷模式中的一種，GB/T 30579-2014中對(duì)于“沖刷”的定義是：固體、液體、氣體或任意之間組合發(fā)生沖擊或相對(duì)運(yùn)動(dòng)，造成材料表面層機(jī)械剝落加速的過(guò)程。其損傷形態(tài)是“沖刷可以在很短的時(shí)間內(nèi)造成材料局部嚴(yán)重?fù)p失，典型情況有沖刷形成的坑、溝、銳槽、孔和波紋狀形貌，且具有一定的方向性”。對(duì)于管道系統(tǒng)而言，多見(jiàn)于彎管、彎頭、三通和異徑管部位，以及調(diào)節(jié)閥和限流孔板的下游部位[3]。

3.3 主要預(yù)防措施及處理建議

從此案例來(lái)看，焦炭塔頂油氣線的損傷乃至最終失效的原因，建議至少應(yīng)從工藝、設(shè)備兩個(gè)方面進(jìn)行分析并最終找到解決方案。從工藝角度而言，可通過(guò)調(diào)整油漿摻煉比例（建議摻煉比不大于8%）[2]、油漿拔頭、脫除油漿中灰分對(duì)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行控制，但筆者認(rèn)為，如經(jīng)研究分析后能基本肯定管道的損傷確為摻煉油漿所致，那么盡可能低成本脫除油漿中的灰分，應(yīng)該是確保管道系統(tǒng)本質(zhì)安全和控制產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵手段。從設(shè)備檢驗(yàn)檢測(cè)角度而言，最切實(shí)可行的手段是對(duì)管道系統(tǒng)高流速部位或懷疑部位（彎頭、三通、變徑部位）進(jìn)行壁厚測(cè)定，發(fā)現(xiàn)磨損嚴(yán)重部位及時(shí)進(jìn)行返修處理。

4 結(jié)論

從本文提供的三個(gè)案例可看出，在用石化承壓設(shè)備損傷模式的分析與識(shí)別，是一個(gè)復(fù)雜、系統(tǒng)、全面的過(guò)程，既要考慮設(shè)備、管線原始制造缺陷，也要考慮使用過(guò)程再生缺陷，還要結(jié)合設(shè)備的使用情況、工藝條件、使用介質(zhì)、內(nèi)外部環(huán)境等諸多因素。因此，要求工作團(tuán)隊(duì)具備一定材料學(xué)、防腐、石化工藝、檢驗(yàn)檢測(cè)、承壓設(shè)備設(shè)計(jì)、制造、安裝等相關(guān)專(zhuān)業(yè)知識(shí)，以及較為豐富的在用承壓設(shè)備運(yùn)行、檢修經(jīng)驗(yàn)，并能按照GB/T 30579-2014提供的典型情況，結(jié)合損傷案例的個(gè)體特征，進(jìn)行合理的分析與判斷[3]。

需要指出的是，石化企業(yè)承壓設(shè)備、管線損傷模式識(shí)別，盡管在專(zhuān)業(yè)技術(shù)層面對(duì)從業(yè)人員要求較高，但筆者認(rèn)為，此項(xiàng)工作的開(kāi)展，不僅讓在用設(shè)備使用管理、檢驗(yàn)檢測(cè)具有一定的前瞻性，也為設(shè)備檢修處理方案的制定提供了指導(dǎo)依據(jù)。更為可貴的是，還能在精確分析設(shè)備管理薄弱環(huán)節(jié)、提升設(shè)備運(yùn)行可靠度、推進(jìn)設(shè)備完整性體系建設(shè)等方面發(fā)揮重要作用。