潤滑油加氫裝置冷高分腐蝕開裂分析

李志鵬，張浩，宮衛(wèi)國，吳建立，萬慶才

（中海油惠州石化有限公司，廣東 惠州 516086）

1 概況

某潤滑油加氫裝置冷高壓分離器是一臺高壓容器，其工作壓力15.3MPa，工作溫度55℃。總高10172mm，內(nèi)徑φ1200mm，筒體器壁厚度92mm，筒體材質(zhì)為SA516-65(HIC)，鋼板是由我國舞陽鋼廠所生產(chǎn)。設(shè)備自2011年5月開始投入使用，設(shè)備運(yùn)行三年裝置停車設(shè)備開罐首檢，檢測院進(jìn)行全面檢查發(fā)現(xiàn)，筒體內(nèi)壁面出現(xiàn)密布縱向和橫向的微裂紋，圖1為裂紋照片裂紋深度最深約1～1.5mm，針對可見裂紋全部打磨消除并磁粉檢測合格。

圖1 冷高分內(nèi)部缺陷照片

2 冷高分的腐蝕與開裂分析

2.1 腐蝕反應(yīng)

反應(yīng)原理：陽極反應(yīng)Fe→Fe2++2e

二次過程Fe2++S2-→FeS或Fe2++HS-→FeS+H+

（腐蝕環(huán)境以第二式為二次過程，除了生成腐蝕產(chǎn)物硫化鐵，還產(chǎn)生氫離子）鋼材在與硫化氫溶液接觸后，不只生成硫化亞鐵，還會引起鋼材的均勻腐蝕及其氫致裂紋以及硫化物應(yīng)力腐蝕開裂。

2.2 腐蝕類型

2.2.1 一般均勻腐蝕

硫化氫針對鋼材的腐蝕受溫度影響很大，一般在低溫下，溫度越高，腐蝕越大，其中在80℃時(shí)硫化氫對鋼材的腐蝕最嚴(yán)重，而當(dāng)溫度處于110～120℃時(shí)，H2S對鋼材的腐蝕最輕。

2.2.2 氫鼓包

反應(yīng)生成的氫原子堆積在材料的表面上，當(dāng)氫原子滲入材料內(nèi)的缺陷處堆積成氫分子，當(dāng)系統(tǒng)降壓時(shí)氫分子體積迅速膨脹，使材料外層呈現(xiàn)出一個(gè)個(gè)的包。氫鼓包的產(chǎn)生不需要外加壓力，因此，設(shè)備內(nèi)的支撐板會產(chǎn)生氫鼓包（600×500×50mm鼓包）。

2.2.3 氫誘發(fā)裂紋

當(dāng)設(shè)備材料里面發(fā)生氫堆積后，隨著系統(tǒng)壓力的升高，氫分子會引起鋼材內(nèi)部分層或開裂。在應(yīng)力的作用下，裂紋的發(fā)展趨于聯(lián)合形成較長裂紋或呈網(wǎng)狀裂紋。氫致裂紋為平行于鋼材壓延方向。設(shè)備筒體為軋制鋼板正火后焊接，整體內(nèi)壁表面出現(xiàn)密集的微裂紋。

2.2.4 應(yīng)力導(dǎo)向氫誘發(fā)裂紋

氫致開裂時(shí)，常在接頭焊縫熱影響區(qū)內(nèi)展現(xiàn)，尤其是在影響區(qū)內(nèi)的應(yīng)力較為集中。在筒體與下封頭連接的A2焊縫，筒體與物料進(jìn)口連接的A8焊縫，在制造焊接后射線檢查發(fā)現(xiàn)存在較多必須返修的缺陷，缺陷返修后特檢院復(fù)查合格，但該處的硬度值偏高包括焊縫、熱影響區(qū)及母材等，焊接熱影響區(qū)金相組織為珠光體+貝氏體，因面A2和A8都出現(xiàn)宏觀可見的裂紋。

2.2.5 硫化物應(yīng)力腐蝕開裂

隨系統(tǒng)壓力的作用氫原子侵入材料內(nèi)部，導(dǎo)致材料脆化，在外加力的相互作用下形成材料硫化物應(yīng)力腐蝕開裂。

2.3 腐蝕的影響因素

材料發(fā)生的應(yīng)力腐蝕開裂，不僅受到材料本身因素的影響，還受到H2S溶液濃度、H2O酸堿度、溫度、環(huán)境中的其他物質(zhì)和應(yīng)力等因素的影響，而且這些因素的作用不是單獨(dú)的，往往是幾個(gè)因素起著協(xié)同和復(fù)合作用。

2.3.1 材料因素

Fe、C、Si、Mn是鋼材的基本元素，C、Si和Mn是強(qiáng)化元素，16Mn（HIC）適當(dāng)降低其含量后，由少量或微量的有利合金元素加入，均衡鋼材的結(jié)構(gòu)與性能。16Mn（HIC）鋼在成分上與16Mn鋼相比，有更低的C和Mn含量，且大大降低了S和P含量。

2.3.2 H2S濃度

一般鋼材在H2S水溶液中，H2S濃度越高，越容易產(chǎn)生硫化物應(yīng)力腐蝕開裂。有日本資料報(bào)導(dǎo)：當(dāng)水溶液中的H2S濃度低于50～60ppm時(shí)，應(yīng)力腐蝕開裂的可能性很低。對任何一種鋼，都存在一個(gè)H2S濃度的門限值，超過此門限值都可發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂。Troiano曾對16Mn鋼試樣進(jìn)行研究，考察常溫下H2S濃度對裂紋擴(kuò)展的影響，試驗(yàn)結(jié)果表明，常溫條件下，鋼材內(nèi)部裂紋擴(kuò)展非常緩慢。

2.3.3 pH值

在濕硫化氫環(huán)境中，碳鋼和低合金鋼隨著溶液中酸堿度的增加，出現(xiàn)硫化物應(yīng)力腐蝕開裂的時(shí)間延長。在近中性或堿性溶液中，硫化物應(yīng)力腐蝕開裂敏感性明顯降低。與濕硫化氫濃度相比，酸堿度值對硫化物應(yīng)力腐蝕開裂的影響更明顯。

2.3.4 溫度

隨著溫度升高，硫化氫在水中的溶解度降低，但腐蝕速率增加，且氫原子的擴(kuò)散速度增快，介于此種情況，必然會導(dǎo)致呈現(xiàn)一個(gè)敏感性的溫度。一般認(rèn)為，受兩種因素的環(huán)境影響，不同的工況會有一個(gè)斷裂時(shí)間最短的溫度，此溫度可在20～30℃或30～40℃。

3 檢查發(fā)現(xiàn)與材料分析相關(guān)的數(shù)據(jù)

3.1 宏觀檢查

A2和A8焊縫發(fā)現(xiàn)宏觀裂紋；進(jìn)料入口防沖板發(fā)現(xiàn)一個(gè)60cm×50cm×5cm的鼓包。其余全部指標(biāo)合格。

3.2 壁厚測定

筒體93.0～94.6mm，公稱厚度94.0mm。

封頭63.8～67.3mm，公稱厚度66.0mm。

3.3 磁粉檢測

除設(shè)備封頭外設(shè)備筒體、各環(huán)焊縫周圍、液位計(jì)接管等所有可見部位均發(fā)現(xiàn)分布大量密集型長度小于5mm的微裂紋。

3.4 金相及硬度檢查

金相及硬度檢查結(jié)果見表1。

表1 金相及硬度檢查結(jié)果

3.5 腐蝕產(chǎn)物成分分析

由腐蝕產(chǎn)物能譜及X射線衍射分析：提交六個(gè)腐蝕產(chǎn)物樣品主要化學(xué)成分為Fe、C、O、S、Ca和Mn、Ti、Ai等，可能存在的主要物質(zhì)為S、Fe的化合物。

最高量：Fe 51.97%，S8.99%Mn 1.44%。

4 結(jié)語

在濕H2S環(huán)境中使用三年的冷高壓分離器在操作穩(wěn)定后產(chǎn)生了約0.3mm/a的均勻腐蝕，致壁厚減薄最大值約1.5mm；筒體密集型微裂紋為HIC引起；A2和A8焊縫發(fā)現(xiàn)的宏觀裂紋與焊后修補(bǔ)未得到有效的熱處理有關(guān)；氫鼓泡是金屬表面缺陷（非金屬夾雜、分層或其他不連續(xù)處）集聚氫原子生成氫分子升壓所致，無須外加壓力；經(jīng)過各項(xiàng)檢測及材料腐蝕產(chǎn)物的成分分析可以確定設(shè)備在本次發(fā)現(xiàn)的微裂紋缺陷是濕硫化氫引起的鋼材腐蝕與開裂。

5 防護(hù)措施

冷高壓分離器定檢中發(fā)現(xiàn)的開裂是低碳鋼在低溫濕H2S堿性介質(zhì)中常見的材料損傷問題，必須采取相應(yīng)的措施，減緩損傷的進(jìn)程。

（1）設(shè)備開車、停車過程應(yīng)采取適當(dāng)措施，應(yīng)避免開車、停車過程對設(shè)備造成損傷。

（2）控制穩(wěn)定的介質(zhì)PH值，盡量降低進(jìn)入設(shè)備的H2S含量，進(jìn)行水相排出部位的污水鐵離子跟蹤分析。

（3）選取裂紋比較嚴(yán)重的部位，從外壁采用超聲端點(diǎn)回波法、相控陣等技術(shù)對筒體的內(nèi)表面進(jìn)行監(jiān)控，每半年監(jiān)測一次，當(dāng)發(fā)現(xiàn)內(nèi)壁出現(xiàn)新的裂紋后，監(jiān)測周期相應(yīng)間短，或停車檢測。

（4）定期進(jìn)行超聲測厚，每半年監(jiān)測一次，當(dāng)發(fā)現(xiàn)設(shè)備有減薄跡象后，監(jiān)測周期相應(yīng)間短，或停車開蓋檢查。

（5）縮短定檢周期，盡快掌握裂紋成長規(guī)律，以及時(shí)采取相應(yīng)措施。