常減壓裝置減壓塔轉(zhuǎn)油線腐蝕原因分析與對策

關(guān)慶林 喻 燦 孫海玲 李衛(wèi)東 高權(quán)坤

(1 中國中化山東昌邑石化有限公司,山東 濰坊 261300;2 上海安恪技術(shù)股份有限公司,上海 200237;3 陜西煤業(yè)化工技術(shù)研究院有限責(zé)任公司,陜西 西安 710199)

中國中化控股有限責(zé)任公司某分公司常減壓裝置于2009年5月投產(chǎn)運(yùn)行,設(shè)計(jì)規(guī)模為5 Mt/a。目前加工的原料以阿曼油和ESPO油為主,原料硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均為0.74%,酸值為0.31 mg/g,屬于低硫、低酸原油。減壓塔轉(zhuǎn)油線中常壓塔底油標(biāo)定硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.12%,酸值為0.35 mg/g,介質(zhì)在加熱后部分氣化,呈氣液兩相。DN350～450 mm管線采用0Cr18Ni9材質(zhì),DN600 mm以上選用20R+0Cr18Ni9爆炸不銹鋼復(fù)合鋼板(B1級),管道無損檢測比例為10%,且按照Ⅲ級焊縫質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評定。在歷次裝置檢修檢查中僅在低速轉(zhuǎn)油線發(fā)現(xiàn)有圓點(diǎn)形態(tài)坑蝕,且未發(fā)現(xiàn)有明顯的裂紋及減薄情況;轉(zhuǎn)油線高速段僅做過定點(diǎn)測厚,未發(fā)現(xiàn)明顯減薄問題,也未發(fā)現(xiàn)隱藏在保溫層下的明顯焊道缺陷,但在2022年停工期間減壓塔轉(zhuǎn)油線高速段管件連接部位發(fā)生兩處腐蝕穿孔泄漏。因此對泄漏部位進(jìn)行深入剖析,針對泄漏問題進(jìn)行排查,并提出了一系列處置措施。

1 減壓塔轉(zhuǎn)油線腐蝕檢查發(fā)現(xiàn)的問題

1.1 減壓塔轉(zhuǎn)油線泄漏部位

減壓塔轉(zhuǎn)油線高速段管道支路布置見圖1。

2022年裝置大檢修,在裝置停工過程中原油閉路循環(huán)降溫至202 ℃、減壓塔恢復(fù)常壓過程中發(fā)現(xiàn)減壓塔高速轉(zhuǎn)油線DN450 mm×600 mm偏心大小頭0Cr18Ni9材質(zhì)與DN600 mm爆炸不銹鋼復(fù)合板彎頭交接焊道熱影響區(qū)2、3點(diǎn)鐘方位出現(xiàn)泄漏,隨即在蒸汽吹掃階段又發(fā)現(xiàn)DN600 mm×800 mm偏心大小頭與DN600 mm直管段轉(zhuǎn)接部位焊道熱影響區(qū)4點(diǎn)鐘方位出現(xiàn)泄漏。

減壓塔轉(zhuǎn)油線高速段設(shè)置8個(gè)進(jìn)料分支,從減壓爐出口開始經(jīng)過350 mm→450 mm→600 mm→800 mm共4次變徑后匯入DN3 220 mm的低速轉(zhuǎn)油線。

減壓塔轉(zhuǎn)油線管道材質(zhì)及壁厚見表1。

表1 減壓塔轉(zhuǎn)油線管道材質(zhì)及壁厚

(1)泄漏部位Ⅰ檢查。圖2為減壓塔轉(zhuǎn)油線高速段單線,圖3為轉(zhuǎn)油線D20部位焊縫外部腐蝕形貌。由圖2～3可知:減壓塔轉(zhuǎn)油線高速段自北向南第3路D20的DN450 mm×600 mm偏心大小頭處西側(cè)大頭方向,南面2、3點(diǎn)鐘方位環(huán)焊縫沿邊緣有兩處腐蝕穿孔,穿孔區(qū)域的尺寸分別為45 mm×4 mm、8 mm×2 mm,同側(cè)焊縫在用工具打磨時(shí),發(fā)現(xiàn)有穿透情況,焊縫東側(cè)偏心大小頭超聲波測厚數(shù)據(jù)為10.64～11.13 mm,焊縫西側(cè)(DN600 mm)90°彎頭測厚數(shù)據(jù)為13.33～13.58 mm,均未發(fā)現(xiàn)明顯減薄。通過泄漏點(diǎn)外表面觀察,焊道處存在錯(cuò)邊問題,漏點(diǎn)腐蝕縫隙邊緣尖銳鋒利,明顯減薄穿孔;漏點(diǎn)部位切割后進(jìn)行內(nèi)部檢查,發(fā)現(xiàn)復(fù)合板內(nèi)環(huán)焊縫邊緣熱影響區(qū)腐蝕開裂15 cm左右,到外部中間20R碳鋼被掏空,開裂口處向外一捅即破,具體見圖4。

圖3 轉(zhuǎn)油線D20焊縫外部

圖4 轉(zhuǎn)油線D20焊縫內(nèi)部

(2)泄漏部位Ⅱ檢查。減壓塔轉(zhuǎn)油線高速段西側(cè)自北數(shù)第1路D3部位(見圖2)DN600 mm×800 mm偏心大小頭與DN800 mm彎頭連接處焊縫有兩處腐蝕穿孔,上部穿孔區(qū)域長8 mm、寬2 mm,下部穿孔區(qū)域長5 mm、寬1.5 mm。對環(huán)焊縫附近區(qū)域使用超聲波測厚儀測厚,西側(cè)厚度為12.47～12.96 mm,東側(cè)厚度為14.59～14.96 mm。孔洞邊緣鋒利,腐蝕減薄嚴(yán)重;從管道內(nèi)壁檢查,此道焊縫發(fā)現(xiàn)焊縫焊接存在錯(cuò)邊、咬邊等現(xiàn)象,焊肉出現(xiàn)溝槽狀腐蝕坑,已將不銹鋼復(fù)合層完全腐蝕并將碳鋼層腐蝕穿孔,部分蝕坑雖未穿透,但是蝕坑深度最深已經(jīng)到11 mm,管道內(nèi)壁部分焊縫也存在焊肉咬邊、錯(cuò)邊和蝕坑問題。

1.2 減壓塔轉(zhuǎn)油線

1.2.1 減壓塔轉(zhuǎn)油線0Cr18Ni9不銹鋼管線

DN600 mm管徑以下管道為0Cr18Ni9不銹鋼材質(zhì),對DN600 mm以下焊道共70道焊口按NB/T 47013.2—2015標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行重新檢測,焊縫質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)由Ⅲ級提高到Ⅱ級,檢查出減壓塔轉(zhuǎn)油線不合格焊口11道,同樣存在焊口組對不合格、錯(cuò)邊、咬邊等缺陷問題。

減壓塔轉(zhuǎn)油線高速段西側(cè)自北往南第1路W7彎頭(DN450 mm,位置見圖2)下直管東南側(cè)測厚數(shù)據(jù)為10.09～11.37 mm,直管其他區(qū)域測厚數(shù)據(jù)為12.47～12.96 mm。對測厚數(shù)據(jù)進(jìn)行橫向?qū)Ρ?發(fā)現(xiàn)管線明顯減薄,此位置腐蝕原因判斷為油氣流向變換區(qū)域的流速較高,導(dǎo)致含有環(huán)烷酸及高溫硫介質(zhì)的油氣加速對此部位的沖刷腐蝕。減壓爐出口轉(zhuǎn)油線高速段減壓爐輻射室西南路出口段西側(cè)自南數(shù)第2路Z15直管段處發(fā)現(xiàn)減薄現(xiàn)象,減薄位置為Z15與W14焊縫北側(cè)西上部位(見圖5)。經(jīng)脈沖渦流掃查發(fā)現(xiàn)金屬減薄率為25.2%,減薄部位測厚數(shù)據(jù)為8.87～9.15 mm,該直管其他部位測厚數(shù)據(jù)為10.12～10.71 mm,經(jīng)橫向?qū)Ρ劝l(fā)現(xiàn)該部位有明顯減薄。此位置在減壓爐出口側(cè),介質(zhì)經(jīng)過加溫后開始?xì)饣?頂部為氣相,底部為液相,氣相流速較快,含有環(huán)烷酸及高溫硫的油氣對此部位進(jìn)行沖刷腐蝕,金屬損失率較高。

圖5 轉(zhuǎn)油線第2路Z15直管段減薄部位單線

減壓塔轉(zhuǎn)油線高速段西側(cè)自北向南第3路DN450 mm×600 mm大小頭接DN600 mm彎頭處焊縫北側(cè)發(fā)現(xiàn)焊縫對口明顯錯(cuò)邊,焊縫錯(cuò)邊長約200 mm,焊縫錯(cuò)邊量約6 mm。原因?yàn)?0°彎頭管件變形,與直管對接時(shí)未整形,導(dǎo)致直管和彎頭不同心,造成焊道焊接時(shí)錯(cuò)邊。

1.2.2 減壓塔轉(zhuǎn)油線爆炸不銹鋼復(fù)合鋼板管線

減壓塔轉(zhuǎn)油線高速段西側(cè)自北向南第4路DN600 mm×800 mm大小頭與DN800 mm彎頭連接焊縫底部約10 cm內(nèi)部復(fù)合板焊肉被完全沖蝕脫落,導(dǎo)致內(nèi)部20R碳鋼層腐蝕,形成深度約9 mm的凹坑。減壓塔轉(zhuǎn)油線高速段東側(cè)自北向南第3路DN800 mm的彎頭焊縫、減壓塔轉(zhuǎn)油線高速段西側(cè)自北向南第4路DN800 mm的彎頭復(fù)合板拼接焊縫處出現(xiàn)深坑,焊道熱影響區(qū)產(chǎn)生裂紋后在此部位產(chǎn)生湍流引起腐蝕凹坑,凹坑深度為6～7 mm。

減壓塔轉(zhuǎn)油線高速段大小頭與彎頭轉(zhuǎn)接部位焊道熱影響區(qū)復(fù)合板產(chǎn)生裂紋后,介質(zhì)腐蝕碳鋼層,內(nèi)部碳鋼層形成空隙,同泄漏點(diǎn)腐蝕形貌相同。減壓塔轉(zhuǎn)油線高速段轉(zhuǎn)低速段彎頭對接口焊接部位復(fù)合板未焊透,焊道在焊接時(shí)采用單邊焊,內(nèi)部未熔合,介質(zhì)在此處會形成湍流,造成焊道腐蝕。

減壓塔轉(zhuǎn)油線低速段也存在一些問題。減壓塔轉(zhuǎn)油線內(nèi)焊口熱影響區(qū)部分環(huán)焊縫、水平焊縫處發(fā)現(xiàn)多處裂紋,裂紋內(nèi)滲透出銹跡,3 mm復(fù)合板已發(fā)生貫穿性應(yīng)力開裂,復(fù)合板在焊接時(shí)焊道熱影響區(qū)存在的殘余應(yīng)力未進(jìn)行有效消除,在運(yùn)行過程中焊道熱影響區(qū)邊緣薄弱環(huán)節(jié)產(chǎn)生應(yīng)力裂紋。減壓塔轉(zhuǎn)油線低速段靠近高速段入口側(cè)內(nèi)壁的表面有多處不均勻蝕坑,直徑為1.0～2.5 mm,深度為0.5～1.0 mm。

2 減壓塔轉(zhuǎn)油線腐蝕原因分析

減壓塔轉(zhuǎn)油線焊縫腐蝕形貌呈多樣性,泄漏點(diǎn)主要發(fā)生在介質(zhì)變向區(qū),此部位焊接應(yīng)力較大,再加上物流變相,氣液兩相流流速較高,因運(yùn)行介質(zhì)中含有高溫硫及環(huán)烷酸,在長周期運(yùn)行下極易產(chǎn)生應(yīng)力裂紋;另一方面,部分缺陷焊縫存在錯(cuò)邊、未熔合等焊接缺陷,再加上焊接殘余應(yīng)力,焊縫區(qū)極易發(fā)生組織變化。如上所述,由于焊縫熱影響區(qū)腐蝕開裂的敏感性遠(yuǎn)大于母材,同時(shí)介質(zhì)流向急劇改變,使腐蝕速度成倍增加,造成焊縫熱影響區(qū)的開裂,不銹鋼復(fù)合層焊縫破壞后,失去了對高溫硫及環(huán)烷酸的防護(hù)能力,導(dǎo)致管道快速發(fā)生泄漏。

2.1 減壓塔轉(zhuǎn)油線復(fù)合板管線焊接質(zhì)量原因

減壓塔轉(zhuǎn)油線管徑粗,施工配管時(shí)在線安裝難度比較大。DN600 mm以上管線為鋼板卷管,管線存在不同心的問題,焊口組對難度大,管段組對焊接時(shí)焊縫部分存在錯(cuò)邊、咬邊、未熔合等焊接缺陷,同時(shí)存在管道內(nèi)壁焊肉凸起過高的問題,且由于外壁采用單面焊無法進(jìn)行內(nèi)壁焊肉打磨光滑,造成管道內(nèi)壁焊道處油氣介質(zhì)流速與流態(tài)發(fā)生變化(如產(chǎn)生湍流、渦流等)。焊接后熱應(yīng)力未進(jìn)行有效消除,在焊縫部位應(yīng)力大,易產(chǎn)生應(yīng)力裂紋。

2.2 減壓塔轉(zhuǎn)油線復(fù)合板管線焊接應(yīng)力及焊道敏化原因

0Cr18Ni9不銹鋼復(fù)合板焊接過程中熱膨脹系數(shù)比較高,在焊接過程中焊道受熱不均勻容易產(chǎn)生殘余熱應(yīng)力,管道其他未加熱母材在剛性條件下,焊縫及熱影響區(qū)內(nèi)會殘留一部分拉應(yīng)力,為應(yīng)力腐蝕開裂提供了條件。陳勇等[1]模擬了0Cr18Ni9不銹鋼材料的薄壁型管道環(huán)焊縫焊接成型的過程,得出焊縫及熱影響區(qū)域焊接殘余應(yīng)力分布的規(guī)律:焊縫及熱影響區(qū)域表面軸向殘余應(yīng)力為拉應(yīng)力,外表層為壓應(yīng)力,內(nèi)表面與外表面的橫向殘余應(yīng)力大部分為拉應(yīng)力,而徑向殘余應(yīng)力大部分為壓應(yīng)力。模擬結(jié)果與裂紋開裂方向吻合基本。

0Cr18Ni9不銹鋼的敏化是晶界處的鉻元素和碳結(jié)合生成碳化物,使晶界貧鉻,晶界處耐腐蝕性能下降的現(xiàn)象。不銹鋼的敏化一般發(fā)生在一定的溫度區(qū)間內(nèi),RP0170中給出的敏化溫度區(qū)間在370～815 ℃[2]。在不銹鋼復(fù)合板的焊接和管道運(yùn)行中都能使復(fù)合板焊道敏化,在這個(gè)溫度區(qū)間碳原子具有足夠的擴(kuò)散能力,而鉻原子擴(kuò)散能力較低,由于晶界含有各類缺陷,畸變能較高,碳原子不斷向晶界擴(kuò)散,與晶界的鉻結(jié)合生成碳化物,不斷消耗晶界的鉻元素,造成晶界處貧鉻[3]。貧鉻后的焊縫耐蝕能力下降,在應(yīng)力和腐蝕介質(zhì)的作用下,復(fù)合板焊道熱影響部位開裂和焊肉沖刷脫落成為必然。

2.3 介質(zhì)原因

因減壓爐出口介質(zhì)為部分氣化的高流速的高溫油氣,而高溫環(huán)烷酸與高溫硫的腐蝕速率與介質(zhì)的流速與流態(tài)等密切相關(guān),且焊接部位的耐蝕性低于母材,0Cr18Ni9不銹鋼材料耐高溫硫腐蝕性能良好,但耐高溫環(huán)烷酸腐蝕性能較差,且可能在焊接過程中因發(fā)生“敏化”而使晶界處耐蝕能力顯著降低。當(dāng)減壓爐進(jìn)料常底渣油中硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)與酸值較高,或是原料油中小分子有機(jī)酸含量高時(shí),減壓塔轉(zhuǎn)油線高速段焊道產(chǎn)生嚴(yán)重的高溫環(huán)烷酸+高溫硫腐蝕及沖刷腐蝕,且以高溫環(huán)烷酸沖刷腐蝕為主。在一定的酸值下,溫度在288 ℃以上時(shí),每上升55 K,環(huán)烷酸對碳鋼的腐蝕率將增加2倍[4],減壓爐出口溫度達(dá)到370 ℃時(shí),進(jìn)入環(huán)烷酸和硫劇烈腐蝕的溫度區(qū)間。當(dāng)環(huán)烷酸酸值在0.4 mg/g以上時(shí),介質(zhì)流動(dòng)速度越高,在渦流區(qū)環(huán)烷酸腐蝕愈嚴(yán)重[5]。常底渣油經(jīng)高溫加熱后介質(zhì)中的硫化物開始分解生成H2S,隨著溫度的升高,H2S對管道產(chǎn)生腐蝕,腐蝕產(chǎn)物在管道內(nèi)壁形成FeS保護(hù)膜,但環(huán)烷酸又繼續(xù)與FeS反應(yīng),形成可溶于油的環(huán)烷酸鐵,使管道內(nèi)壁繼續(xù)被H2S腐蝕[6]。管道中的介質(zhì)流向發(fā)生改變,產(chǎn)生了渦流,高流速氣液同時(shí)沖擊管道金屬表面,使局部金屬表面受到破壞而失去保護(hù),形成沖蝕,當(dāng)介質(zhì)線速度增加時(shí),同等材質(zhì)腐蝕速率也隨線速度的增加而增加,這是轉(zhuǎn)油線轉(zhuǎn)彎或大小頭變徑處腐蝕加速的主要原因。

3 減壓塔轉(zhuǎn)油線問題處置措施

3.1 0Cr18Ni9材質(zhì)轉(zhuǎn)油線焊道修復(fù)

對轉(zhuǎn)油線DN350 mm、DN450 mm不銹鋼管線進(jìn)行脈沖渦流全面檢測,對焊道焊接部位進(jìn)行射線無損檢測,并根據(jù)檢測情況進(jìn)行修復(fù)。對存在錯(cuò)邊等焊接質(zhì)量問題的焊縫重新焊接,再次焊接時(shí)嚴(yán)格把控焊接和組對質(zhì)量,打磨坡口時(shí)要將焊口表面打光,去除滲碳面,露出金屬光澤面,將接口和坡口及坡口兩側(cè)用酒精或丙酮進(jìn)行除油、清洗。在焊接時(shí)選用A102(E308-16)或A107鈦鈣型焊條,采用氬弧焊打底時(shí),選用H0Cr21Ni10焊絲,焊條焊接前要進(jìn)行烘干,烘干后的焊條放在干凈防潮無污物的焊條筒內(nèi),以防止焊條損壞和吸潮,藥皮面不能沾有油污等。0Cr18Ni9材料熱膨脹系數(shù)大,導(dǎo)熱性能較差,在焊接時(shí)易變形[7],為防止變形焊接時(shí)采用跳焊法。0Cr18Ni9的電阻大,焊接時(shí)有較大的電阻熱,所以同等直徑的焊條焊接接頭電流值設(shè)定應(yīng)比低碳鋼焊條降低20%左右。對焊道進(jìn)行均勻化處理,將焊頭溫度升至850～900 ℃,并保溫約2 h,使奧氏體晶粒內(nèi)的鉻能完全擴(kuò)散至晶界,使奧氏體晶界處的鉻質(zhì)量分?jǐn)?shù)恢復(fù)至12%以上,以避免晶間腐蝕的發(fā)生。修復(fù)焊道施工前要進(jìn)行焊前預(yù)熱、焊后穩(wěn)定化熱處理,以獲得穩(wěn)定化的效果并減少焊接殘余應(yīng)力。焊接完成后對焊道進(jìn)行酸洗鈍化,目的是去除焊接、高溫后焊口部位產(chǎn)生的氧化皮,使之銀亮有光澤,處理后在焊道表面形成一層以鉻為主的氧化膜,以免發(fā)生二次氧蝕,從而提高不銹鋼管道焊接口的表面防腐質(zhì)量,延長管線使用壽命。

3.2 復(fù)合板轉(zhuǎn)油線高速段材質(zhì)升級

對DN600 mm及以上復(fù)合板管線進(jìn)行材質(zhì)升級,由于檢修施工工期緊,316L與317L材料短期內(nèi)無法供貨,因此選用0Cr18Ni9不銹鋼,且對管道焊口按照Ⅱ級片標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行100%射線探傷,焊道焊接按照《化工裝置用奧氏體不銹鋼焊接鋼管技術(shù)要求》(HG 20537.3—1992)執(zhí)行。因0Cr18Ni9不銹鋼的熱脹量比20R+0Cr18Ni9爆炸不銹鋼復(fù)合鋼板大,經(jīng)核算將管道加長500 mm,以滿足由于材質(zhì)升級帶來的熱位移,減少設(shè)備管口應(yīng)力。圖6實(shí)線部分為管道材質(zhì)升級部位。施工焊接過程中為保證焊接及組對質(zhì)量,將管道進(jìn)行整體預(yù)制后進(jìn)行安裝。在高速段轉(zhuǎn)油線與復(fù)合層低速段轉(zhuǎn)油線插口焊接過程中要嚴(yán)格遵守焊接組對工藝,對復(fù)合管材的焊接采用雙面焊保證施工質(zhì)量,制造標(biāo)準(zhǔn)參照《石油化工不銹鋼復(fù)合鋼焊接規(guī)程》(SH/T 3527—2009),焊接之后對所有覆層焊縫進(jìn)行100%的磁粉滲透檢測。轉(zhuǎn)油線低速與高速段插口焊接工藝如圖7所示。

圖6 復(fù)合板管線材質(zhì)升級部位

圖7 轉(zhuǎn)油線低速與高速段插口焊接工藝

3.3 減壓塔轉(zhuǎn)油線低速段修復(fù)

對低速轉(zhuǎn)油線應(yīng)力開裂裂紋進(jìn)行修補(bǔ),焊接前為防止裂紋繼續(xù)延伸開裂,首先在不銹鋼復(fù)合板的裂縫端部或延伸方向打3 mm深的小孔,打孔直徑根據(jù)裂縫情況判斷,以防止復(fù)合板裂紋在焊接應(yīng)力作用下產(chǎn)生延伸開裂。在打孔時(shí)還要注意不能傷及碳鋼層。裂縫打磨清根后要進(jìn)行除油,焊接前要先預(yù)熱后焊接,最后將小孔焊好,這樣有利于消除原有復(fù)合板的焊接應(yīng)力,對轉(zhuǎn)油線低速段腐蝕產(chǎn)生的蝕坑進(jìn)行貼板處理。

4 結(jié)語

減壓塔轉(zhuǎn)油線系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)處于負(fù)壓狀態(tài),管道出現(xiàn)滲漏時(shí)很難發(fā)現(xiàn),此管段主要以高溫硫及環(huán)烷酸腐蝕為主,同時(shí)在停工后也會發(fā)生連多硫酸腐蝕,減壓塔轉(zhuǎn)油線施工質(zhì)量不合格極容易在應(yīng)力和腐蝕環(huán)境共同作用下發(fā)生泄漏。為保證管線的正常安全運(yùn)行,將轉(zhuǎn)油線列入定期檢測計(jì)劃,每季度對彎頭、大小頭及連接直管部位進(jìn)行超聲測厚檢測;高點(diǎn)彎頭部位易造成渦流沖刷部位增設(shè)無線高溫測厚探頭,做到實(shí)時(shí)監(jiān)控;定期分析減壓塔塔頂瓦斯氣中的氧氣和氮?dú)夂?通過數(shù)據(jù)比對發(fā)現(xiàn)泄漏問題,及時(shí)維修,確保生產(chǎn)安全;停工過程中要進(jìn)行FeS的鈍化,防止發(fā)生0Cr18Ni9材質(zhì)的連多硫酸應(yīng)力腐蝕開裂,檢修時(shí)要對焊道進(jìn)行磁粉滲透檢測、管線渦流掃查測厚,及時(shí)發(fā)現(xiàn)管道缺陷,以確保高溫轉(zhuǎn)油線在腐蝕環(huán)境下的長周期安全運(yùn)行。