連續(xù)重整再生煙氣彎管裂紋失效分析及改進建議

王朝平

(中國石化上海高橋石油化工有限公司，上海 200137)

石化行業(yè)的連續(xù)重整裝置催化劑再生燒焦后排出的氣體中含有氯化氫【1】。為防止氯化氫超標污染環(huán)境，需要對煙氣進行環(huán)保工藝處理【2】。隨著環(huán)保要求越來越高，法國Axens以及美國UOP等公司開發(fā)出高要求的氯化氫處理工藝，可使再生煙氣達標排放【3】。面對我國環(huán)保標準的嚴格要求，越來越多的連續(xù)重整裝置再生工藝投入使用。在連續(xù)重整裝置再生煙氣處理工藝中，裝置的安全平穩(wěn)運行是至關(guān)重要的。但隨著再生煙氣的增多，裝置發(fā)生失效的次數(shù)也越來越多。

某公司2號連續(xù)重整裝置再生煙氣管道服役4個月后，彎管處發(fā)生開裂失效，導致再生煙氣輸送管線泄漏。該腐蝕發(fā)生在再生煙氣脫氯罐前的氮氣吹掃線與主管線的接口位置，開裂管道如圖1 所示。

圖1 開裂管道示意

管道規(guī)格為φ60×5.5 mm，材質(zhì)為06Cr17Ni12Mo2；操作壓力為0.24 MPa，操作溫度為260 ℃；介質(zhì)為含氯化氫的燒焦煙氣，煙氣中含水10%(v%)左右，氯化氫含量超過1 000 mg/m3。開裂管道的實物照片如圖2所示。作為環(huán)保工藝處理的重要環(huán)節(jié)，管道一旦發(fā)生泄漏，對環(huán)境以及設備安全將構(gòu)成極大威脅。因此在設備制造、監(jiān)督、操作運行等過程中要高度重視，防止此類構(gòu)件發(fā)生泄漏。

圖2 開裂管道實物

1 各種實驗分析及結(jié)果

1.1 宏觀形貌

觀察各試樣的宏觀形貌發(fā)現(xiàn)，A試樣的內(nèi)壁存在比較嚴重的沖刷腐蝕，腐蝕形貌如河床[如圖3(a)所示，圖中的紅線為介質(zhì)沖刷方向]，試樣的管壁截面存在較多沖刷溝槽，并存在一些裂紋。B試樣和C試樣的內(nèi)壁存在較少的環(huán)向沖刷腐蝕形貌，如圖3(b)和圖3(c)所示。

圖3 腐蝕形貌

1.2 金相分析

為觀察裂紋的擴展特征，取樣進行金相分析，取樣位置如圖4所示。直管段管壁截面的金相如圖5所示，由圖5可見，截面存在較多溝槽，溝槽最深處存在較多的細小裂紋。

圖4 直管段管壁截面金相取樣位置

圖5 金相試樣

圖6為內(nèi)壁截面裂紋的形貌。從金相的組織形貌上觀察，試樣的內(nèi)壁存在較多溝槽，如圖6(a)所示。由圖6可以觀察到：取樣的試樣金相組織為奧氏體；裂紋從內(nèi)壁溝槽處起裂，向外壁主向穿晶擴展，尖端有分叉，符合氯離子應力腐蝕開裂的特征。

圖6 內(nèi)壁截面裂紋形貌

1.3 斷口分析

沿著裂紋擴展方向掰開斷口，斷口宏觀形貌如圖7(a)和圖7(b)所示。由圖7(a)和圖7(b)可以觀察到：試樣的內(nèi)壁存在較多溝槽，斷口上存在較多沿環(huán)向的沖刷痕跡，腐蝕最嚴重的區(qū)域壁厚僅剩3～4 mm，壁厚減薄較多。

圖7 斷口宏觀形貌

圖8(a)～圖8(b)為高倍鏡(100×)的斷口形貌。由圖8(a)～圖8(b)可以觀察到：從內(nèi)壁到外壁，斷口呈現(xiàn)的都是沖刷形貌，大部分斷口都是沖刷腐蝕痕跡。

圖8 高倍鏡(100×)斷口形貌

取靠近內(nèi)壁的區(qū)域做能譜測試，分析結(jié)果如表1和圖9所示。由表1和圖9顯示，內(nèi)壁含有少量氯(Cl)和硫(S)元素，斷口上存有氯離子和硫離子，與金相上分叉的裂紋相對應，少部分是氯離子導致的應力腐蝕開裂。

表1 內(nèi)壁的能譜分析結(jié)果 w，%

圖9 內(nèi)壁的能譜分析

1.4 管內(nèi)腐蝕物分析

取管內(nèi)的腐蝕物試樣，研磨過后進行X射線衍射儀(XRD)分析，結(jié)果如圖10所示。由圖10可見，粉末的主要成分為氧化鐵。再進行能譜分析，結(jié)果如圖11和表2所示。由圖11和表2可見，腐蝕物內(nèi)含有較多氯(Cl)元素和微量硫(S)元素。

表2 腐蝕物的能譜分析結(jié)果

圖10 腐蝕物XRD分析

圖11 腐蝕物能譜分析

1.5 化學成分分析

從管壁上切除一小塊試樣進行化學成分分析，分析結(jié)果如表3所示，對比GB/T 13296—2013《鍋爐、熱交換器用不銹鋼無縫鋼管》，結(jié)果顯示其化學成分符合該標準要求。

表3 06Cr17Ni12Mo2管線化學成分分析與標準對比

2 失效分析及改進建議

2.1 失效分析

1) 內(nèi)壁溝槽形成原因。研究表明【4-5】，局部腐蝕的差異與流體在試樣表面不同區(qū)域的流動差異有關(guān)。沖刷腐蝕是指流體與試樣內(nèi)表面相對流動而對管道產(chǎn)生磨損，其主要特點是管道內(nèi)表面產(chǎn)生凹槽、圓孔以及窄縫等缺陷導致試樣減薄，并且具有方向性【4】。

采用商用fluent軟件對彎管處進行流體模擬，彎管流動速度分布，結(jié)果如圖12所示。由圖12 可見，氣體流動速度最大處位于管道內(nèi)徑側(cè)，說明彎管改變了煙氣的方向，會增大流動速度，而流動速度的增加則會誘導對流導致傳質(zhì)增加以及管道內(nèi)表面鈍化膜穩(wěn)定性下降并脫落，使腐蝕速率增大【5】此外，端部盲區(qū)溫度低，與高溫煙氣交互形成液相，氣液兩相在此處聚積并環(huán)向打旋，對彎頭內(nèi)表面形成強烈的沖刷作用。管內(nèi)表面上的腐蝕薄膜逐漸被沖刷形成凹坑，這種凹坑不斷擴大、加深，相鄰的凹坑不斷合并、延伸，最終在彎頭入氣口內(nèi)壁形成溝槽狀的沖刷道。

圖12 彎管流動速度分布

2) 裂紋形成原因。試樣表面早期階段的凹坑會影響應力腐蝕開裂【6-7】，這是由于凹坑的存在會導致管理厚度減薄，并且在凹坑附近會產(chǎn)生應力集中。大量數(shù)值模擬研究結(jié)果表明管道腐蝕坑會導致應力集中【8-10】，試樣隨著凹坑長度及深度的增加更容易發(fā)生失效【8】，而本失效構(gòu)件存在更尖銳的溝槽，溝槽的深度和長度都較大，因此會導致更大的應力集中。由于氯化物的存在，溝槽深處會有氯(Cl)元素富集，應力腐蝕開裂更易發(fā)生(圖6可以觀察到典型的裂尖分叉現(xiàn)象)，造成了溝槽最深處較多細小的裂紋。

2.2 改進建議

改變彎管的彎曲內(nèi)徑。將彎管處內(nèi)徑增大3倍，可使流體在彎頭處的流動得到更大的緩沖，在彎管內(nèi)側(cè)的流動速度大大降低，從而減小腐蝕強度。改進后采用商用fluent軟件模擬分析結(jié)果如圖13所示。

圖13 改進后的管道

2.3 改進后的效果

根據(jù)數(shù)值模擬分析優(yōu)化的結(jié)果，彎管按大曲率半徑制造加工并進行更換，現(xiàn)場實際工況應用顯示效果良好。截至目前，更換后的彎管已運行1年多，經(jīng)過現(xiàn)場查看、紅外成像儀掃描、測厚檢驗等，未發(fā)現(xiàn)裂紋和管壁局部減薄現(xiàn)象，同時滿足工藝生產(chǎn)需要。