液化石油氣脫硫裝置堿液管線腐蝕原因分析與防護

馬 馳，程亞川，何 萌，趙志君

(1.中石油克拉瑪依石化有限責任公司，新疆 克拉瑪依 834000；2.中國特種設備檢測研究院，北京 100020)

2015年大檢修期間，某石化公司對其液化石油氣脫硫裝置進行了深度脫硫改造，為了防止堿液結晶造成管線堵塞，堿液管線(堿液線)采用了蒸汽伴熱。堿液線在改造后的運行過程中，共發生11處焊縫開裂泄漏，嚴重影響了裝置安全生產。

1 堿液流程描述

1.1 堿液系統簡介

液化石油氣脫硫工藝采用助溶法深度脫硫技術，其反應方程式如下：

強堿(NaOH)與液化石油氣中的硫醇反應生成硫醇鈉，硫醇鈉溶于堿液中，從液化石油氣中脫除硫醇硫；帶有硫醇的堿液在催化劑作用下通入空氣，使硫醇氧化為二硫化物從堿液中脫除，脫除了硫醇后的堿液可循環使用。系統運行過程中，堿液質量分數控制指標為10%～15%，一般其質量分數約為14%，根據堿液濃度分析對系統內補充新堿。

1.2 堿液線腐蝕泄漏事例

改造投產后，堿液線共發生11處管線焊縫開裂泄漏，其中10處開裂管線的伴熱為蒸汽伴熱，且泄漏部位均為調節閥、流量計跨線或間歇使用的堿液線管件焊縫部位。典型故障事例統計見表1，泄漏部位形貌見圖1和圖2。

表1 堿液線焊接裂紋泄漏典型故障統計

2 腐蝕原因分析

選取有代表性的開裂失效管道進行失效分析。該開裂彎頭位于貧堿液進脫硫C202流量計的副線，發生開裂失效的管道主要技術參數見表2。

圖1 堿液進流量計副線彎頭焊縫裂紋

圖2 堿液線彎頭焊縫泄漏部位包焊

表2 開裂管道主要技術參數

2.1 宏觀檢查

(1)彎頭外徑測量值為60.2 mm，彎頭測厚未見明顯腐蝕減薄。裂紋位于彎頭環焊縫部位，其宏觀形貌見圖3。彎頭內表面未見明顯腐蝕坑或腐蝕溝槽，見圖4。

(2)彎頭硬度測量值見表3。母材和焊縫處硬度均在正常范圍內。

圖3 彎頭焊縫宏觀裂紋

圖4 彎頭內表面形貌

表3 失效彎頭硬度測試數據

2.2 材質分析

對彎頭的母材和焊縫分別進行化學成分分析，結果見表4。可以看出，彎頭的母材部位材質化學成分符合相關標準的規定。

表4 彎頭化學成分測試結果 w，%

2.3 金相分析

彎頭裂紋處表面金相組織如圖5所示。從圖5可以看出，其微觀組織中同時存在鐵素體、珠光體和貝氏體，并呈現一定的魏氏組織特征。裂紋以沿晶開裂為主，有分支，具有典型的應力腐蝕開裂特征。

2.4 掃描電鏡觀察分析

彎頭斷口掃描電鏡觀察形貌如圖6所示。從圖6可以看出，失效管件的斷口呈脆性斷裂，未見明顯韌窩。

圖5 裂紋處表面金相組織

圖6 斷口掃描電鏡觀察

對彎頭內表面進行掃描電鏡觀察并進行能譜分析,可以看出，其內表面存在氧化層,能譜分析結果見表5。

表5 彎頭內表面能譜分析結果

對斷口及其上腐蝕產物進行掃描電鏡觀察和分析，結果見圖7和表6。

圖7 斷口表面掃描電鏡觀察

表6 斷口處腐蝕產物能譜分析結果

從表5和表6可以看出，裂紋內存在氧化物。根據損傷形態和斷口分析可以判斷，開裂是由于堿應力腐蝕造成的。

3 相關因素分析

3.1 碳含量

相關研究表明，堿液介質管道的金屬中碳質量分數為0.01%～0.25%時易產生堿脆。該失效彎頭的材質為20號鋼，經材質分析可知，彎頭母材碳質量分數為0.22%，處于堿脆的范圍之內[1]。

3.2 堿液濃度和溫度

由于泄漏部位管線為副線或間歇使用的管線，不流動部位的堿液在伴熱加熱后濃縮聚集，其質量分數可達31%。不流動部位管線經蒸汽伴熱加熱后，其管線表面溫度為60～79 ℃。從實際統計的泄漏事例來看，NaOH的質量分數一般為15%～48%，溫度為50～100 ℃時導致的泄漏次數最多，具有強的侵蝕性[2]。堿液管線不流動部位的堿液質量分數和溫度，均在致裂敏感范圍，易導致焊縫堿應力腐蝕開裂。例如,當NaOH的質量分數為15%時，開裂溫度為70 ℃以上;當NaOH的質量分數為30%時，開裂溫度為54 ℃以上[3-4]。

3.3 熱處理

管線經過焊后熱處理，大檢修時測得硬度大約為140 HB。焊后熱處理的質量對堿應力腐蝕開裂的影響很大，如果消應力熱處理不到位，會增加管道對堿應力腐蝕開裂的敏感性。

4 改進措施

4.1 降低堿液管線溫度

合理選擇管線伴熱方式，降低堿液線溫度，將管線溫度控制在46 ℃以下(堿液溫度大于46 ℃，隨著溫度的上升開裂敏感性上升)，可大幅降低管線堿應力腐蝕開裂的風險。

4.2 控制堿液濃度

對間歇使用管線，增加置換流程，防止堿液在受熱后濃縮聚集。嚴格控制工藝操作，消除積液部位，控制堿液濃度在工藝指標范圍內。

4.3 控制焊接及焊后熱處理質量

控制焊接質量，可有效降低因夾渣、氣孔、咬邊及未熔合等缺陷造成的應力集中，降低焊縫縫隙腐蝕及應力腐蝕開裂的可能性。保證消應力熱處理的質量，保持管道焊縫的開裂敏感性在較低水平。

4.4 管線材質升級

對易發生堿應力腐蝕開裂的管線進行材質升級，選用對堿應力腐蝕開裂敏感性低的材料來代替20號鋼材料。

5 結束語

堿應力腐蝕開裂的主要影響因素為堿液濃度、溫度、殘余應力和伴熱。當堿質量分數超過5%時開裂就有可能發生，隨著堿液溫度的升高，開裂敏感性增加。焊接或冷加工殘余應力均可成為開裂的應力條件。從工藝管理和技術上采取了預防措施：合理選擇伴熱方式、降低管線溫度、控制堿液濃度及管線焊后熱處理消除應力等，有效地解決了堿液線開裂泄漏問題，保障了裝置安全平穩運行。