硫黃回收單元不銹鋼三通閥裂紋修復(fù)處理

羅 濤 張?jiān)乒?羅明平 曾令強(qiáng) 蔣學(xué)奎 薛 山 楊智超 汪 蕾

中國(guó)石油西南油氣田公司重慶天然氣凈化總廠, 重慶 401259

0 前言

四級(jí)轉(zhuǎn)化冷床吸附(Cold Bed Adsorption,以下簡(jiǎn)稱(chēng)CBA)工藝通過(guò)熱反應(yīng)爐,1個(gè)常規(guī)克勞斯反應(yīng)器以及3個(gè)CBA低溫克勞斯反應(yīng)器將酸氣中的H2S轉(zhuǎn)換為硫黃,該硫黃回收是常規(guī)克勞斯和低溫克勞斯的組合工藝,其硫黃回收率達(dá)到99.2%以上[1]。而三通閥是該工藝流程中的重要設(shè)備,通過(guò)其不同閥位的切換快速轉(zhuǎn)換各工藝階段。硫黃回收裝置中工藝介質(zhì)復(fù)雜,包含H2S、SO2、CS2、水蒸氣、硫蒸氣等。同時(shí),在該工藝條件下,三通閥需頻繁切換閥位,溫度變化范圍在120～400 ℃。因此,三通閥在這種工藝介質(zhì)復(fù)雜的動(dòng)載荷下,容易產(chǎn)生開(kāi)裂、腐蝕現(xiàn)象。

在巡檢某天然氣凈化廠時(shí),發(fā)現(xiàn)硫黃回收裝置工藝參數(shù)異常。判斷硫黃回收裝置不銹鋼夾套三通閥伴熱蒸汽內(nèi)漏。裝置停產(chǎn)檢修解體發(fā)現(xiàn),三通閥閥蓋伴熱夾套有11處裂紋。廠家到場(chǎng)后,經(jīng)過(guò)5 d的檢查、研究得出無(wú)法修復(fù)的結(jié)論。購(gòu)買(mǎi)新閥門(mén)更換不僅價(jià)格昂貴(247萬(wàn)元/只),而且3～6個(gè)月的采購(gòu)周期,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了該廠可接受的開(kāi)產(chǎn)延期時(shí)間。通過(guò)對(duì)三通閥材質(zhì)、使用工況等因素進(jìn)行綜合分析,制定了以固溶處理[2-5]為核心的焊接工藝,最終成功修復(fù)裂紋,保證裝置順利開(kāi)產(chǎn)。該焊接工藝的成功使用,也為該廠類(lèi)似設(shè)備問(wèn)題提供了解決辦法,有效解決了天然氣凈化廠設(shè)備硫腐蝕開(kāi)裂的修復(fù)問(wèn)題。

1 故障現(xiàn)象

將故障三通閥解體后發(fā)現(xiàn)開(kāi)裂位置處于閥蓋伴熱夾套與閥蓋、軸套焊接部位,見(jiàn)圖1。其中開(kāi)裂位置一(閥蓋伴熱夾套與閥蓋焊縫)裂紋沿焊縫周向、間斷分布,共10處,且裂紋沿?zé)嵊绊憛^(qū)呈多點(diǎn)、細(xì)縫、樹(shù)狀擴(kuò)散,見(jiàn)圖2。開(kāi)裂位置二(閥蓋伴熱夾套與軸套焊縫)裂紋集中在一處,且沿焊縫方向呈單點(diǎn)、寬逢、線型擴(kuò)散,見(jiàn)圖3。

圖1 開(kāi)裂所處部位圖Fig.1 Crack location

圖2 開(kāi)裂位置一照片F(xiàn)ig.2 First crack

圖3 開(kāi)裂位置二照片F(xiàn)ig.3 Second crack

2 原因分析

2.1 晶間腐蝕

開(kāi)裂位置一呈多點(diǎn)、細(xì)縫、樹(shù)狀擴(kuò)散,見(jiàn)圖4,結(jié)合圖1～2可發(fā)現(xiàn)裂紋垂直于閥蓋伴熱夾套內(nèi)部受壓時(shí)產(chǎn)生的環(huán)向應(yīng)力。

圖4 開(kāi)裂位置一局部放大圖Fig.4 Partially enlarged First crack

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)觀察發(fā)現(xiàn)裂紋全部出現(xiàn)在閥蓋伴熱夾套焊縫上,懷疑為奧氏體不銹鋼在焊接時(shí)溫度達(dá)到600～900 ℃,結(jié)晶晶界的碳化鉻(Cr23C6)析出,引起奧氏體不銹鋼內(nèi)的Cr量減少、耐腐蝕性下降,從而出現(xiàn)晶間腐蝕[6-10]。

但根據(jù)原設(shè)備圖紙得知,閥蓋、閥蓋伴熱夾套、軸套材質(zhì)均為304L。由于含碳量在0.03%以下,具有良好的抗晶間腐蝕性能。參照國(guó)標(biāo)GB/T3280-2015《不銹鋼冷軋鋼板和鋼帶》得出304、304L不銹鋼材質(zhì)成分見(jiàn)表1。對(duì)設(shè)備開(kāi)裂部件進(jìn)行材質(zhì)檢測(cè)，其中C含量0.07%,Mn含量1.02%，S含量0.008%，P含量0.037%，Si含量0.34%，Cr含量17.24%，Ni含量8.04%。因此判斷該部件材質(zhì)為304并非304L。由于304與304L在含碳量上的區(qū)別導(dǎo)致304在焊接過(guò)程中容易在晶界區(qū)域形成“貧鉻區(qū)”,從而引起晶間腐蝕[11]。

表1 304和304 L不銹鋼材質(zhì)成分表Tab.1 304 and 304 L stainless steel material composition

除了材料、焊接因素,開(kāi)裂位置一在角焊縫兩側(cè)結(jié)構(gòu)剛度差異較大,沒(méi)有平滑過(guò)渡,造成該處應(yīng)力集中。當(dāng)閥位處于角通時(shí),該位置處于盲端,容易凝結(jié)出酸性液體、固體硫單質(zhì),也會(huì)加劇裂紋的擴(kuò)散。

綜上,此處裂紋是由于該部件選擇了受敏化影響的304不銹鋼,并且在焊接時(shí)未進(jìn)行有效固溶處理,導(dǎo)致部件在應(yīng)力作用下產(chǎn)生的沿晶界斷裂的現(xiàn)象。

2.2 疲勞損傷

開(kāi)裂位置二裂紋呈單點(diǎn)、寬逢、線型擴(kuò)展。

開(kāi)裂位置二所處位置同樣存在角焊縫兩側(cè)結(jié)構(gòu)剛度差異較大、沒(méi)有平滑過(guò)渡而造成的應(yīng)力集中問(wèn)題。除此之外,開(kāi)裂位置二還處于軸套下端,該處在閥位切換、介質(zhì)流動(dòng)的作用下變形量最大。不僅如此,在正常生產(chǎn)過(guò)程中三通閥處于直通與角通的切換過(guò)程,閥桿為懸臂梁結(jié)構(gòu),且閥板處于懸臂梁頂端。切換過(guò)程中氣流急劇變化,不僅帶來(lái)了交變載荷,在特定流速下還可能形成渦激共振。

2.3 失效判斷

綜上,此處裂紋是由于該部件選擇了受敏化影響的304不銹鋼,并且在焊接時(shí)未進(jìn)行有效固溶處理,導(dǎo)致部件在應(yīng)力作用下產(chǎn)生的沿晶界斷裂,并且在交變載荷、共振情況下裂紋得以持續(xù)延伸。

3 焊接修復(fù)

3.1 修復(fù)方案

通過(guò)以上原因分析可知,裂紋產(chǎn)生的根本原因有以下四點(diǎn):1)由于晶界區(qū)域形成貧鉻區(qū)而引起的晶間腐蝕;2)硫單質(zhì)的影響;3)內(nèi)部殘余應(yīng)力;4)閥位切換、介質(zhì)流動(dòng)的交變載荷。其中主要因素是晶間腐蝕,而交變載荷又無(wú)法避免。

因此修復(fù)的核心就是通過(guò)選用超低碳不銹鋼焊條與固溶處理相結(jié)合,避免再次產(chǎn)生貧鉻區(qū)。同時(shí)去除殘余硫單質(zhì),小線能量焊接減小殘余應(yīng)力以及碳化鉻(Cr23C6)析出[12]。

3.1.1 選用超低碳不銹鋼

既然出現(xiàn)晶間腐蝕的根本原因是碳與鉻形成化合物產(chǎn)生貧鉻區(qū),那么選用含碳量低的不銹鋼[13]就是第一選擇。但檢修時(shí)間短,無(wú)法短時(shí)間獲得304L(具有抗晶間腐蝕特性)材質(zhì)的該部件。因此只能對(duì)開(kāi)裂部位進(jìn)行修復(fù)。焊條選擇超低碳不銹鋼焊條E316L-16進(jìn)行焊接,減少碳的帶入。

3.1.2 打磨與除硫

由于該閥門(mén)使用介質(zhì)中含有硫單質(zhì),裂紋產(chǎn)生后硫單質(zhì)殘留在裂紋中,也加劇了裂紋的擴(kuò)展,因此在焊接前需進(jìn)行嚴(yán)格的除硫操作[14]。

根據(jù)裂紋形狀、大小、長(zhǎng)度、位置,首先對(duì)裂紋最寬處沿裂紋線用角向磨光機(jī)打磨出一條V型縱向小坡口,便于增加熔深和焊透。然后沿裂紋打磨,直到消除末端裂紋。

用鋼絲刷除去不銹鋼板表面的硫黃后,再用角向磨光機(jī)清除表面與近表面的污物;為除去裂紋中硫單質(zhì),用氧乙炔焰的中性焰對(duì)不銹鋼板焊接區(qū)域進(jìn)行焙燒至900～1 000 ℃左右(暗紅色);冷卻后再用角向磨光機(jī)打磨清除表面氧化物,直至其露出金屬本體光澤。

清理干凈后用滲透檢測(cè)進(jìn)行檢查直到裂紋完全消除。

3.1.3 小線能量焊接

焊接時(shí)采用小線能量、小電流、短弧、大焊速、橫向微擺動(dòng)、滅弧向上的手法焊接[15],焊接參數(shù)見(jiàn)表2。焊接過(guò)程中輸入線能量少,既能有效限制被加熱寬度,又有利于被加熱區(qū)急冷,在敏化溫度區(qū)停留時(shí)間短,有利于防止晶間腐蝕。每焊接20 mm用常溫純凈水快速?lài)娏芾鋮s一次,不斷重復(fù)以上操作,直至完成焊接[16]。

表2 手工電弧焊焊接參數(shù)表Tab.2 Welding parameters of manual arc welding

3.1.4 進(jìn)行固溶處理

焊接完成后將該部件的所有焊縫加熱到1 100 ℃左右,保溫5 min后,隨即急冷。在1 100 ℃時(shí)碳化鉻被融解,急冷以獲得單一的奧氏體鎳鉻合金,不產(chǎn)生貧鉻區(qū)[17-20]。

3.2 修復(fù)效果

經(jīng)過(guò)3 d的搶修,利用固溶處理防止晶間腐蝕的原理,成功完成了對(duì)閥體11處裂紋的修復(fù)工作,并通過(guò)了滲透檢測(cè)和氣密性實(shí)驗(yàn),使用至今已5 a,設(shè)備運(yùn)行正常。該修復(fù)方案不僅節(jié)約成本247萬(wàn)元,而且保證了該天然氣凈化廠的正常生產(chǎn)。

4 結(jié)論及建議

1)當(dāng)奧氏體不銹鋼焊縫因貧鉻產(chǎn)生晶間腐蝕時(shí),通過(guò)固溶處理能有效消除貧鉻區(qū),防止再次發(fā)生晶間腐蝕。

2)小線能量焊接,間斷降溫的方法能有效降低在600～900 ℃區(qū)間的停留時(shí)間,從而減少結(jié)晶晶界的碳化鉻(Cr23C6)析出,避免貧鉻區(qū)的產(chǎn)生。

3)超低碳不銹鋼的選用也能減少焊接時(shí)結(jié)晶晶界的碳化鉻(Cr23C6)析出,避免貧鉻區(qū)的產(chǎn)生。

4)結(jié)合本次三通閥修復(fù)經(jīng)驗(yàn)，建議在以后的三通閥采購(gòu)時(shí)選用304 L、316 L等具有良好的抗晶間腐蝕性能的材質(zhì),在閥蓋伴熱夾套焊縫位置設(shè)置剛度過(guò)渡段,并增加軸套剛度,減小其變形量。