丙烯-氨分布器斷裂原因分析及對(duì)策

葛 晶

(中國(guó)石油大慶石化公司化工二廠，黑龍江 大慶 163714)

某石化公司化工廠丙烯腈裝置于1988 年建成投產(chǎn)，反應(yīng)器(R-101)是丙烯腈裝置的核心設(shè)備。該設(shè)備是從日本新瀉鐵工所購(gòu)進(jìn)成型材料和制造安裝技術(shù)，現(xiàn)場(chǎng)組裝完成的。反應(yīng)器為立式流體床，內(nèi)置32 組U 型垂直冷卻管;頂部設(shè)集氣室，并有8 組旋風(fēng)分離器。在反應(yīng)器下部，裝有丙烯氨分布器和空氣分布板，空氣分布板的993 個(gè)小孔與丙烯-氨分布器(以下簡(jiǎn)稱(chēng)丙烯氨分布器)的993 個(gè)小支管一一對(duì)應(yīng)。反應(yīng)器上部為圓形封頭，下部為錐體，直徑7.47 m，高度28.67 m。反應(yīng)器的工藝過(guò)程為丙烯、氨的混合氣體由丙烯氨分布器小支管向下吹出，與空氣分布板向上吹出的空氣和催化劑作用，生成丙烯腈氣體。

1 丙烯氨分布器的介紹

1.1 丙烯氨分布器的工況

介質(zhì):丙烯、氨;溫度:455 ℃;壓力:0.148 MPa;丙烯氨分布器分3 種規(guī)格，1988 年7 月投入使用，1995 年丙烯氨分布器上分布管角焊縫出現(xiàn)開(kāi)裂，1997 年部分分布管脫落。2001 年大檢修過(guò)程中，對(duì)反應(yīng)器丙烯氨分布器上的分布管進(jìn)行了材質(zhì)變更，將20 號(hào)鋼換成15CrMo。在2005 年、2006 年的停車(chē)檢查中，又發(fā)現(xiàn)有分布管脫落。初步判斷脫落是由于材質(zhì)表面發(fā)生氮化，材料變脆引起的。2007 年7 月的大檢修過(guò)程中將15CrMo材質(zhì)的分布管換成20 號(hào)鋼材質(zhì)的分布管。

1.2 丙烯氨分布器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和腐蝕情況

丙烯氨分布器為水平排列，其中，管子尺寸φ216.3 mm×8.2 mm 的支管2 根，沿東西方向分布;管子尺寸φ89.1 mm ×7.6 mm 的支管36 根，沿南北方向分布，與φ216.3 mm 的支管垂直組焊;管子尺寸φ21.7 mm×3.7 mm 的支管993 根，每?jī)蓚€(gè)支管間夾角為43.29°，與φ89.1 mm 的支管組焊，具體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1 和圖2。

圖1 丙烯氨分布器結(jié)構(gòu)

圖2 丙烯氨分布器結(jié)構(gòu)

2 對(duì)丙烯氨分布器的檢驗(yàn)情況

2.1 宏觀檢查

2.1.1 目測(cè)檢查

對(duì)丙烯氨分布器進(jìn)行了目視檢查［1］，局部位置配合10 倍放大鏡進(jìn)行了仔細(xì)檢查，檢查結(jié)果如下:

(1)斷裂均發(fā)生在分布器分布管角焊縫，環(huán)向斷裂，其中有兩件帶有縱向裂紋;縱向裂紋起始于環(huán)向裂紋，該裂紋貫穿壁厚，長(zhǎng)度分別為102 mm和150 mm 。

(2)分布器分布管表面呈鐵褐色，光亮、細(xì)膩光滑;斷裂前管件未發(fā)生變形，無(wú)減薄。

(3)環(huán)向斷口外表面起裂，斷面粗糙，有臺(tái)階、有腐蝕產(chǎn)物和環(huán)向弧線，斷面無(wú)塑性變形、無(wú)減薄、無(wú)剪切唇，呈脆性特征。

縱向斷口外表面起裂，斷面粗糙呈灰色，具有閃光小刻面，源區(qū)有臺(tái)階和腐蝕產(chǎn)物，灰色斷面上局部有褐色斑點(diǎn)，斷裂面無(wú)塑性變形、無(wú)減薄、無(wú)剪切唇，呈脆性特征。

(4)目視觀察斷裂面壁厚不均勻，管徑及壁厚測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表1。

(5)分布器分布管外觀及失效特點(diǎn):環(huán)向裂紋和縱向裂紋均起始于分布管腳焊縫部位;管件斷裂及其斷口均呈脆性斷裂;管件表面和斷面上存在高溫氧化特性;管件壁厚不均勻。

表1 管徑及壁厚測(cè)量數(shù)據(jù)

檢驗(yàn)的5 根斷裂管中有1 根管子裂紋起始于內(nèi)壁表面，其余4 根裂紋均起始于外壁表面。

2.1.2 捶擊檢查

對(duì)丙烯氨分布器支管進(jìn)行了捶擊檢查(0.5 kg)，未發(fā)現(xiàn)悶聲、濁聲級(jí)破碎聲，反彈速度正常。說(shuō)明管道材質(zhì)沒(méi)有明顯劣化跡象，管道內(nèi)沒(méi)有明顯積垢、結(jié)焦現(xiàn)象，管道內(nèi)也沒(méi)有發(fā)現(xiàn)裂紋缺陷。

2.2 無(wú)損檢測(cè)

對(duì)丙烯氨分布器上478 根分布管與支管連接的角焊縫共進(jìn)行了滲透檢測(cè)，未發(fā)現(xiàn)裂紋類(lèi)缺陷。

2.3 硬度測(cè)定

對(duì)丙烯氨分布器支管母材進(jìn)行了硬度測(cè)定，可見(jiàn)硬度值基本正常。數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表2 硬度檢測(cè)數(shù)據(jù)

2.4 金相檢驗(yàn)

對(duì)丙烯氨分布器總管及支管母材進(jìn)行了金相檢驗(yàn)，支管母材的金相組織為鐵素體+珠光體，基本正常，見(jiàn)圖3，裂紋附近及距裂紋一定距離的任意不問(wèn)金相檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

支管母材特點(diǎn):

(1)基體為鐵素體+珠光體，經(jīng)氮化硬度較高;

(2)內(nèi)表面存在明顯的氮化特征，氮化物在晶界網(wǎng)狀析出和晶內(nèi)針狀析出，氮含量超過(guò)溶解極限時(shí)，導(dǎo)致含金變脆。

(3)外壁表面存在氧化腐蝕特征，表面晶粒有所長(zhǎng)大，氧化孔洞深入基體，破壞基體連續(xù)性，表面氧化層及氧化裂紋產(chǎn)生應(yīng)力集中，成為裂紋起始源。

(4)分布管材料存在氮化、氧化孔洞和裂紋、碳化物晶界析出等高溫劣化特征。

圖3 丙烯氨分布器支管母材金相組織

表3 金相檢驗(yàn)結(jié)果

2.5 光譜分析

對(duì)丙烯氨分布管進(jìn)行了光譜分析，結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 光譜分析結(jié)果 w，%

從光譜分析結(jié)果上看反應(yīng)器丙烯氨分布器上分布管確實(shí)采用是15CrMo 材料，與原設(shè)計(jì)材料相符。硬度檢測(cè)表明:分布管斷面內(nèi)壁向外壁硬度梯度測(cè)量HV(1.0 kg)內(nèi)壁氮化硬度較高，外壁氧化脫碳硬度相對(duì)較低。

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)以上試驗(yàn)說(shuō)明丙烯氨分布器是外部氧化反應(yīng)及內(nèi)部的滲氮反應(yīng)導(dǎo)致分布管脫落，經(jīng)過(guò)實(shí)踐證明，雖然15CrMo 屬于珠光體組織耐熱鋼，在高溫下具有較高的熱強(qiáng)性和抗氧化性，并具有一定的抗氫腐蝕能力［2］。但是在丙烯、氨和空氣的混合介質(zhì)中，在455 ℃和0.148 MPa 條件下，不如20 號(hào)抗?jié)B氮和抗氧化性強(qiáng)，檢修期間將分布管及分布管材質(zhì)進(jìn)行更換，更換為與原材質(zhì)JIS STPT42 基本相同的20 號(hào)鋼，不再使用15CrMo 材質(zhì)的分布器。丙烯氨分布管從已運(yùn)行超過(guò)3 a，未出現(xiàn)分布管脫落現(xiàn)象，在8 a 內(nèi)也不會(huì)出現(xiàn)分布管脫落現(xiàn)象。

［1］梁成浩，李淑英，金朝寬，等.穩(wěn)定塔頂冷卻器腐蝕失效分析和防護(hù)措施［J］.石油化工設(shè)備技術(shù)，2000，21(3):47-55.

［2］中國(guó)腐蝕與防護(hù)學(xué)會(huì).石油工業(yè)中的腐蝕與防護(hù)［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2001:136-141.