柴油加氫高壓空冷器泄漏原因分析及改進(jìn)措施

(中國(guó)石油華北石化公司，河北 任丘 062552)

某石化公司2.2 Mt/a柴油加氫裝置2017年開(kāi)工建設(shè)，于2018年6月建成中交，采用某石化研究院開(kāi)發(fā)的加氫精制催化劑和某工程公司的柴油加氫工程技術(shù)。在2018年9月裝置開(kāi)工硫化過(guò)程中，在高壓空冷器EA-101(以下稱(chēng)空冷器)管束與管板焊接部位出現(xiàn)泄漏，裝置被迫停工。分析認(rèn)為，泄漏是由H2S應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂引起的。最后由制造廠(chǎng)制定返修處理方案，經(jīng)過(guò)3個(gè)月重新制造，再次安裝后開(kāi)工硫化成功。

1 高壓空冷器參數(shù)

高壓空冷器是柴油加氫裝置的關(guān)鍵設(shè)備之一，具有高溫、高壓和臨氫的特點(diǎn)，尤其是在裝置開(kāi)工硫化過(guò)程中，循環(huán)氫中的硫化氫濃度很高，發(fā)生泄漏的概率很大。發(fā)生泄漏的高壓熱高分空冷器設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 空冷器設(shè)計(jì)參數(shù)

2 實(shí)際硫化過(guò)程及空冷器泄漏情況

2.1 硫化過(guò)程

2018年9月23日15∶30，當(dāng)反應(yīng)器入口溫度升至142 ℃，出口溫度升至137 ℃時(shí)，開(kāi)始向循環(huán)油中注入硫化劑二甲基二硫醚(DMDS)，當(dāng)DMDS儲(chǔ)罐液位達(dá)到76.7%的高度時(shí),同時(shí)逐步緩慢提升入口溫度。

9月23日19∶00，開(kāi)始對(duì)循環(huán)氫中的硫化氫濃度進(jìn)行檢測(cè)，從此之后基本為半小時(shí)檢測(cè)1次。

9月24日14∶30，在反應(yīng)器入口溫度為221 ℃時(shí)，檢測(cè)到硫化氫質(zhì)量濃度為1 500 mg/L，開(kāi)始將反應(yīng)器入口溫度升至230 ℃，此時(shí)共注入硫化劑28.26 t。

9月24日15∶30，硫化氫質(zhì)量濃度為5 500 mg/L，此時(shí)入口溫度達(dá)到229 ℃，開(kāi)始6 h恒溫硫化過(guò)程。

9月24日19∶15，硫化氫質(zhì)量濃度為17 000 mg/L，共注硫化劑37.65 t。

9月24日19∶30～19∶40巡檢發(fā)現(xiàn)空冷器下方存在滴油，經(jīng)排查發(fā)現(xiàn)空冷器EA-101D管箱內(nèi)側(cè)泄漏，20∶20停止注硫化劑，裝置停工。

實(shí)際硫化過(guò)程嚴(yán)格按照硫化方案執(zhí)行，未發(fā)生超溫、超壓情況(見(jiàn)圖1)。

圖1 柴油加氫裝置硫化曲線(xiàn)

2.2 空冷器泄漏情況

在停工后，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)初步檢查，在EA-101D浮動(dòng)端存在3處漏點(diǎn)，在進(jìn)口端存在4處漏點(diǎn)，在EA-101B浮動(dòng)端存在4處漏點(diǎn)，泄漏部位均位于管子和管箱管板結(jié)合處，初步判斷為管束與管箱管板焊接接頭處發(fā)生泄漏。

在返廠(chǎng)后拆除相應(yīng)管箱，對(duì)管束與管板的焊縫進(jìn)行打磨著色檢查，發(fā)現(xiàn)在EA-101B浮動(dòng)端管箱焊縫有26處開(kāi)裂。開(kāi)裂部位分布見(jiàn)圖2。典型裂紋宏觀(guān)形貌見(jiàn)圖3。

圖2 EA-101B裂紋分布

圖3 典型裂紋圖

3 空冷器泄漏原因分析及改進(jìn)措施

3.1 空冷器泄漏原因

根據(jù)設(shè)計(jì)條件，EA-101 管箱材質(zhì)為Q345R，管束材質(zhì)為20號(hào)鋼(入口處管頭內(nèi)襯350 mm S31603襯管)，能夠耐濕硫化氫腐蝕，在國(guó)內(nèi)已有多套長(zhǎng)期運(yùn)行的經(jīng)驗(yàn)。

在裝置硫化過(guò)程中，嚴(yán)格執(zhí)行了該石化研究院的技術(shù)要求，通過(guò)控制注硫化劑速率來(lái)控制硫化氫濃度，可能短時(shí)間會(huì)產(chǎn)生高濃度的硫化氫工況，但也有多套裝置硫化開(kāi)工的成熟經(jīng)驗(yàn)。

該次柴油加氫裝置開(kāi)工期間，未出現(xiàn)超溫、超壓工況，前期氫氣氣密(壓力8.0 MPa)性檢查過(guò)程中未發(fā)現(xiàn)泄漏情況，在硫化階段發(fā)生多處泄漏，經(jīng)初步判斷是硫化物應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂引起。

為進(jìn)一步確認(rèn)泄漏原因，在返回制造廠(chǎng)后，對(duì)EA101B空冷泄漏部位分別進(jìn)行了取樣，由合肥通用機(jī)械研究院和洛陽(yáng)725所分別進(jìn)行進(jìn)一步分析。試驗(yàn)結(jié)果如下：

(1)裂紋形貌見(jiàn)圖4。

圖4 裂紋形貌

(2)試樣化學(xué)成分分析：管束、管板及焊縫成分均符合要求。

(3)力學(xué)性能分析：對(duì)管束、管板進(jìn)行拉伸和沖擊試驗(yàn)，其性能指標(biāo)均符合要求。

(4)硬度分析：對(duì)焊接接頭試樣進(jìn)行顯微維氏硬度試驗(yàn)硬度平均值換算為HB，除母材硬度小于200 HB之外，焊縫及熱影響區(qū)硬度都大于200 HB，見(jiàn)表2。

表2 試樣不同部位硬度檢測(cè)值

(5)焊接接頭組織分析：焊縫金相組織為貝氏體+馬氏體+先共析鐵素體結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖5)。

圖5 焊縫組織圖

通過(guò)以上試驗(yàn)可以得出以下結(jié)論：

試樣材料化學(xué)性能和力學(xué)性能都滿(mǎn)足指標(biāo)要求，焊縫和管板熱影響區(qū)硬度均高于指標(biāo)要求，近縫處母材性能滿(mǎn)足指標(biāo)要求，管板和管的夾雜物及晶粒度滿(mǎn)足要求。焊縫及管板熱影響區(qū)出現(xiàn)馬氏體組織，說(shuō)明焊接過(guò)程控制準(zhǔn)確，但焊接冷卻速度控制不當(dāng)，導(dǎo)致出現(xiàn)不良組織。同時(shí)也說(shuō)明焊后熱處理不到位，也未達(dá)到改善組織的效果，焊接殘余應(yīng)力和內(nèi)應(yīng)力均較大。

EA-101焊縫表面存在橫裂紋，斷口平整，呈脆性斷裂狀態(tài)，表面覆蓋H2S腐蝕產(chǎn)物，開(kāi)裂屬于在較高的濕硫化氫濃度下的脆性斷裂，當(dāng)裂紋貫穿整個(gè)焊縫厚度時(shí)就發(fā)生了泄漏。

硫化物應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的控制因素之一是硬度不超過(guò)200 HB，而EA-101焊縫硬度達(dá)364 HB，熱影響區(qū)硬度達(dá)443 HB，且在所有組織中馬氏體組織對(duì)硫化物應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂最為敏感。在硫化物介質(zhì)中,受拉伸應(yīng)力作用的金屬材料，介質(zhì)與應(yīng)力的耦合作用易發(fā)生脆性斷裂。焊接殘余應(yīng)力、內(nèi)應(yīng)力和加工殘余應(yīng)力都是拉伸應(yīng)力來(lái)源，濕硫化氫是腐蝕介質(zhì)，同時(shí)存在對(duì)硫化物應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂敏感的焊縫組織和硬度，因此判定該焊縫裂紋屬于硫化物應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂。

3.2 制造的改進(jìn)措施

針對(duì)該次空冷器的泄漏，設(shè)備制造廠(chǎng)重新修訂了設(shè)備制造技術(shù)方案，對(duì)焊前預(yù)熱和焊后熱處理工藝進(jìn)行了改進(jìn)，增加了產(chǎn)品試板，對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量步步監(jiān)控。主要改進(jìn)措施有以下五點(diǎn)：

(1)焊接接頭形式

管束與管板焊接接頭形式均改為倒角外伸,有利于接頭強(qiáng)度的提升和使用壽命的提高。

(2)增加焊前預(yù)熱、焊后緩冷

預(yù)熱能去除待焊區(qū)的水汽，避免造成焊接氣孔，還能降低焊縫的冷卻速度,防止接頭生成淬硬組織。

試件不同處理狀態(tài)對(duì)接頭硬度的影響見(jiàn)表3。由表3可知，經(jīng)預(yù)熱比不進(jìn)行預(yù)熱的試件硬度有明顯降低。

焊后緩冷能降低焊縫的冷卻速度,防止接頭生成淬硬組織，且有利于擴(kuò)散氫的逸出。

表3 試件不同處理狀態(tài)對(duì)接頭硬度的影響

(3)熱處理工藝要求

經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)，在焊后熱處理過(guò)程中，在降溫到400 ℃后降溫速度對(duì)焊縫硬度影響較大。新工藝改變了此段溫度段控制時(shí)間，提高了降溫速度，經(jīng)多次試驗(yàn)確保了硬度符合要求。兩種熱處理方式對(duì)硬度的影響見(jiàn)表4。熱處理后的焊縫組織為鐵素體+珠光體。

表4 試件熱處理后降溫速度對(duì)硬度的影響 HV

(4)熱處理操作改進(jìn)

加熱帶由長(zhǎng)帶改為短帶，對(duì)加熱絲材質(zhì)進(jìn)行升級(jí)，從而提高了加熱帶單位面積的功率；對(duì)加熱帶進(jìn)行剛性固定，確保使用時(shí)能夠緊貼待處理管板接頭，減少熱量散失；當(dāng)熱電偶由插入式改為焊接時(shí)，能更準(zhǔn)確地反映管頭焊縫的溫度，確保溫度的準(zhǔn)確性；改進(jìn)包棉工裝和保溫方式，防止熱量過(guò)多散失。

(5)在空冷器制造過(guò)程中增加產(chǎn)品試板，要求產(chǎn)品試板隨管箱一起預(yù)熱、焊接、后熱及熱處理，對(duì)試件進(jìn)行了硬度檢測(cè)，硬度檢測(cè)結(jié)果符合要求。

4 結(jié) 語(yǔ)

此次柴油加氫高壓空冷器EA-101管頭泄漏是由硫化物應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂造成的，盡管設(shè)計(jì)管箱材質(zhì)采用Q345R，管束材質(zhì)20號(hào)鋼具有較好的可焊性和良好的抗開(kāi)裂性，而且在同類(lèi)裝置有了很好的使用業(yè)績(jī)，但由于管束與管板焊縫在焊接后不具備檢測(cè)條件，缺乏成熟的制造經(jīng)驗(yàn)和質(zhì)量控制手段，不可避免地存在局部焊縫硬度過(guò)高，殘余應(yīng)力較大，尤其在裝置硫化期間，面臨高濃度H2S環(huán)境，極容易造成硫化物應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂。

為了防止開(kāi)裂發(fā)生，一方面，要從制造和檢驗(yàn)方面確保熱處理后焊縫硬度滿(mǎn)足設(shè)計(jì)文件要求；另一方面，在生產(chǎn)過(guò)程中也要盡量將H2S濃度控制在較低水平，從而保證設(shè)備長(zhǎng)周期運(yùn)行。