乙烯裝置脫甲烷塔再沸器殼程入口接管泄漏原因及對策

李早東，孟晉安，彭磊(中石油蘭州石化公司，甘肅 蘭州 70000)

1 概述

脫甲烷塔再沸器是利用管程介質(zhì)熱能將脫甲烷塔塔底物料加熱、分離，以提高脫甲烷塔中甲烷-氫、乙烯收率[1]。某乙烯裝置脫甲烷塔再沸器的殼程介質(zhì)為脫甲烷塔釜液，主要為C2以上重組分，入口溫度為-7.6～-5.9 ℃；管程介質(zhì)為丙烯，出口溫度為2.38～2.50 ℃。再沸器殼程和管程材質(zhì)為0Cr18Ni9，基本結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示。2019 年檢查發(fā)現(xiàn)再沸器殼程入口接管S1 法蘭與補強管鍛件近焊縫區(qū)存在4 處明顯泄漏點，近焊縫區(qū)出現(xiàn)貫穿性裂紋和氣孔，殼程物料泄漏，換熱器接管焊縫出現(xiàn)開裂失效。由于脫甲烷塔再沸器是單臺運行且無法單獨切出檢修，乙烯裝置非計劃停工，造成生產(chǎn)經(jīng)濟損失[2]。

圖1 脫甲烷塔再沸器宏觀形貌結(jié)構(gòu)圖

經(jīng)查相關(guān)資料，S1 出口規(guī)格為DN200(8″)，失效部位補強管和法蘭材質(zhì)均為0Cr18Ni9，兩管在焊接中采用了單面開坡口，氬弧焊打底，外壁填充、蓋面的焊接方式。為查明S1 入口部位泄漏原因，本文采用宏觀檢測、化學(xué)成分分析、金相分析及力學(xué)性能測試等方法進行分析并提出了合理建議[3]。

2 宏觀檢查與材料分析

2.1 宏觀檢查

殼程入口接管S1 宏觀檢查未見裂紋附近有明顯塑性變形，而表現(xiàn)出低應(yīng)力脆性斷裂特征。內(nèi)壁位于焊縫兩側(cè)的局部區(qū)域有明顯腐蝕坑，且內(nèi)壁焊縫成型不良，咬邊嚴重[4]。依據(jù)NB/T 47013.5—2015 《承壓設(shè)備無損檢測 第5 部分：滲透檢測》的要求，對送檢失效管段內(nèi)、外壁進行滲透檢測。結(jié)果表明，焊縫上未見有裂紋，裂紋均為橫紋，分布于焊縫兩側(cè)，長度約為10 mm。根據(jù)內(nèi)外壁裂紋分布和數(shù)量初步判斷裂紋應(yīng)從外壁啟裂。

2.2 材料分析

2.2.1 光譜分析

依據(jù)開裂部位，對法蘭側(cè)母材、管側(cè)母材進行光譜分析，如表1 所示。結(jié)果表明，法蘭側(cè)母材、管側(cè)母材的C、Mn 元素含量均高于JB 4728—2000 對0Cr18Ni9 材料的最高含量要求，Cr、Ni元素均低于標準要求，不滿足JB 4728—2000 中對0Cr18Ni9 鍛件的化學(xué)成分要求。焊縫金屬的化學(xué)成分基本正常。

表1 光譜分析結(jié)果

2.2.2 力學(xué)性能分析

從樣品管側(cè)和法蘭側(cè)軸向部位取樣進行室溫拉伸實驗，實測值試驗結(jié)果表明，補強管的斷后伸長率不滿足JB4728 中對0Cr18Ni9 鍛件的要求，法蘭的拉伸性能指標滿足力學(xué)性能要求[5-6]。

2.2.3 掃描電鏡及能譜分析

對測試樣品斷口進行清洗等處理，使用掃描電鏡觀察斷口微觀形貌。斷口均為沿晶開裂，在斷裂面上可見有二次裂紋，具有晶間型應(yīng)力腐蝕和局部晶間應(yīng)力腐蝕開裂特征[7]。對斷口表面結(jié)垢物進行能譜分析，可知，斷口表面腐蝕性元素主要有O、Cl 和S，其中O 含量高達42.89%，Cl 含量高達1.72%，S 含量高達3.90%。同樣，對裂紋縫隙內(nèi)結(jié)垢物進行能譜分析，結(jié)果表明，裂紋縫隙內(nèi)腐蝕性元素主要有O、Cl 和S，其中O 含量最高為33.23%，Cl 含量最高達為1.72%，S 含量最高達3.18%。

2.2.4 晶間腐蝕試驗分析

從樣品上截取補強管和法蘭母材分別進行來樣狀態(tài)和重新固溶處理狀態(tài)(經(jīng)1 060 ℃×1.25 h 淬火處理) 的晶間腐蝕試驗，試驗按照GB/T 4334—2008 中的方法E-不銹鋼硫酸-硫酸銅腐蝕試驗方法進行。試驗結(jié)果顯示，來樣狀態(tài)均具有非常嚴重的晶間腐蝕傾向，而經(jīng)固溶處理后補強管仍有晶間腐蝕傾向，法蘭則無晶間腐蝕傾向。

3 分析與討論

3.1 技術(shù)方面

裂紋金相、斷口及腐蝕產(chǎn)物取樣分析結(jié)果表明，脫甲烷塔再沸器殼程入口接管焊縫附近區(qū)域開裂性質(zhì)為晶間型應(yīng)力腐蝕和局部晶間腐蝕?；瘜W(xué)成分分析結(jié)果顯示，補強管與法蘭化學(xué)成分中C、Mn、Cr、Ni 元素含量不滿足JB 4728 中對0Cr18Ni9 鍛件的化學(xué)成分要求。開裂是從接管外壁開始，且主要表現(xiàn)為晶間型應(yīng)力腐蝕。失效接管外部為酸性大氣環(huán)境，主要含有SO2、H2S、CO2、Cl2等酸性介質(zhì)。斷口表面及裂紋縫隙內(nèi)腐蝕產(chǎn)物能譜分析檢出O、Cl、S 等元素，與其內(nèi)、外部介質(zhì)環(huán)境基本吻合?；谏鲜?，該容器接管S1 補強管和法蘭化學(xué)成分不合格，特別是補強管在制造過程未進行充分地鍛造加工及最終固溶處理，材料抗敏化性較低，最終在化工外部腐蝕環(huán)境中發(fā)生晶間應(yīng)力腐蝕開裂[8]。

3.2 管理方面

乙烯裝置中不銹鋼容器應(yīng)用廣泛，在總設(shè)備數(shù)量中占比大。在深冷分離過程中，不銹鋼容器發(fā)生晶間應(yīng)力腐蝕開裂的失效模式是普遍存在的。如何避免乙烯深冷分析系統(tǒng)中不銹鋼容器再次出現(xiàn)類型失效故障？一方面要選用質(zhì)量更好、符合更高標準的補強管和法蘭；另一方面要采用專業(yè)的防腐措施進而避免腐蝕環(huán)境和減少腐蝕介質(zhì)[9]。通過對同類失效問題分析、檢測及處理，能準確查找根本原因并快速有效地檢修，恢復(fù)生產(chǎn)。技術(shù)人員務(wù)必重視容器防腐措施并定期對容器的腐蝕情況進行深入研究，不斷更新防腐技術(shù)手段。

4 結(jié)論與措施

脫甲烷塔再沸器泄漏失效主要是由補強管鍛件材質(zhì)質(zhì)量問題，補強管段間在制造過程中缺少有效鍛打過程及最終固溶處理，同時在運行過程中存在階段性有害元素而形成晶間應(yīng)力腐蝕開裂[10]。上述原因，建議從以下方面考慮來防止同類問題再次發(fā)生：加強制造再沸器所需金屬材料的入廠檢驗；增設(shè)備用再沸器，并對再沸器出入口設(shè)置檢修切出閥門等裝置；擴大再沸器檢驗檢測范圍，制定個性化檢驗檢測方案。同時，對于裝置核心再沸器，適當(dāng)縮短檢驗周期。