一起高壓反應釜環(huán)焊縫缺陷的安全隱患和警示

史萬義，李俊鋒

（河南省鍋爐壓力容器安全檢測研究院新鄉(xiāng)分院，河南 新鄉(xiāng) 453000）

2018年3月筆者在某化工廠壓力容器定期檢驗過程中，發(fā)現(xiàn)4臺高壓反應釜（內(nèi)編：1#、2#、3#、4#）在下封頭和筒體連接處的環(huán)焊縫多處均出現(xiàn)宏觀可見的鼓包并伴有開裂，其中3#高壓反應釜的鼓包最多為6處，4#環(huán)焊縫與縱焊縫交叉T型接口有明顯的補焊痕跡，詳見圖1～4。

1 設備基本情況

該設備由開原化工機械廠設計，圖號KR640-00，某化工設備廠2006年2月制造，2006年9月投入使用。主體結構形式為夾套形，容積1.25m3，內(nèi)徑1000mm,高3750mm，設計壓力9.8MPa（殼體），0.6MPa(夾套)，設計溫度280℃（殼體、夾套），材質(zhì)為復合材料16MnR+321，其中基層16MnR壁厚46.0mm。復合層不銹鋼321 壁厚6.0mm（筒體、封頭），殼體介質(zhì)為氫、氨、水、乙二胺和夾套介質(zhì)為水、蒸氣，夾套為Q235B，壁厚為10mm,實際使用時間為11年。筆者在設備內(nèi)部做宏觀檢查時發(fā)現(xiàn)內(nèi)表面的下封頭環(huán)焊縫多處出現(xiàn)宏觀可見的鼓包并伴有開裂。筆者通過詢問該廠管理人員和操作工人相關生產(chǎn)工藝，以及將部分試樣進行化學成分分析。根據(jù)結果初步判斷為氫原子滲透進入321不銹鋼金屬組織內(nèi)部產(chǎn)生氫腐蝕鼓包，伴隨鼓包不斷長大導致焊縫出現(xiàn)泡狀開裂。

圖1

圖2

圖3

圖4

2 材質(zhì)劣化系列中氫腐蝕

2．1 氫腐蝕機理

設備在高溫高壓運行過程中，介質(zhì)溶液中電離出來的氫離子和氫氧根離子能自由進入不銹鋼組織內(nèi)部發(fā)生化學反應生成氫氣和氧氣。其中氫原子和碳原子相遇結合生成甲烷。碳原子和氧原子相遇反應生成CO2，CO2又和氫氣反應生成CH4和H2O等。此過程不斷循環(huán)進行。CH4氣體不斷增多體積也急劇膨脹，其強度、韌性明顯降低，并且是不可逆的金屬組織材質(zhì)裂化損傷。大多數(shù)氫腐蝕在高溫（450℃以上）過程常伴有脫碳現(xiàn)象，但在較低的溫度條件下沒有明顯的脫碳現(xiàn)象也會發(fā)生晶界開裂。其主要反應方程式：

（1）2H++2OH-＝2H2＋O2

（2）C+2H2=CH4

（3）C+O2=CO2

（4）4H2+CO2=CH4+2H2O

2．2 氫腐蝕產(chǎn)生過程。

氫腐蝕的發(fā)生過程大致可分為三個階段：（1）孕育期。鋼的宏觀和機械性能沒有明顯變化。（2）機械性能迅速變化階段。金屬組織碳含量迅速降低，甲烷氣體體積快速膨脹和擴展擠壓技術組織形成黃豆大的鼓包。（3）最后階段。固溶體中局部碳原子耗盡。甲烷氣體不斷向表面擴展，最后在內(nèi)表面處開裂。開裂形狀多是圓形的泡狀，內(nèi)部是空洞。

氫腐蝕的孕育期最重要的階段，它是從量變到質(zhì)變的長期累積過程，它的快慢往往決定了鋼材的壽命。

在某一氫分壓作用下產(chǎn)生的氫腐蝕有一個起始溫度（大約350～450℃），它是衡量鋼材抗氫性能的指標。低于這個溫度，氫腐蝕反應速度極慢，以致孕育期超過正常使用壽命。

2．3 氫腐蝕特點和控制措施

高壓反應釜在制造階段的冷加工變形、焊接后殘余變形，提高了氫的擴散能力，對氫腐蝕起加速作用；規(guī)范的焊后熱處理則有利于抗氫腐蝕；鋼材金屬組織中的含碳量越低，則有利于抗氫腐蝕。

3 承壓設備損傷模式識別中（GB/T30579-2014）容易產(chǎn)生氫腐蝕的裝置和設備

（1）合成氨裝置：熱電偶套管、轉(zhuǎn)換器和設備襯里。

（2）加氫精制（加氫脫硫）、加氫裂化、重整加氫等各種加氫裝置，以及變壓吸附式制氫裝置及脫氧裝置。

（3）甲醇裝置：變換反應器。

（4）超高壓蒸氣發(fā)生裝置的鍋爐管。

（5）乙烯裂解裝置：甲烷化反應器進出料溫度高于220℃的流程，包括甲烷化反應器、進出料熱交換器管殼程及相連管道。

4 檢驗結論

根據(jù)檢驗情況，依據(jù)固定式壓力容器安全技術監(jiān)察規(guī)程的相關要求，出具不符合要求報告，安全狀況等級評定為5級。建議修理合格后使用。

5 事故的預防與建議

（1）盡快健全和加強設備安全管理制度，提高壓力容器操作人員的基本素質(zhì)和責任心。

（2）嚴格執(zhí)行生產(chǎn)工藝和操作規(guī)程，設備不得超壓超溫運行，并且做好交接班記錄。

（3）強制對高壓反應釜定期沖洗，減小氫、氨、水、乙二胺等介質(zhì)在設備焊縫縫隙處殘留濃度，避免氨應力腐蝕的發(fā)生。

（4）定期對設備進行檢修，檢修人員必須進入高壓反應釜內(nèi)部進行宏觀檢查是否有異常情況，發(fā)現(xiàn)安全隱患及時上報和妥善處理。

（5）企業(yè)應做好高壓反應釜的年度檢查和壓力容器定期檢驗，不得超期使用。

6 結語

這次高壓反應釜的重大安全隱患由于定期檢驗及時避免了一次事故的發(fā)生。但是慶幸之余，同時也為我們敲響了安全警鐘。這次事故隱患，應該引起生產(chǎn)企業(yè)、檢驗機構、安全管理機構等各方面的高度重視！ 事故猛于虎，責任重于山 。特種設備安全事故在化工企業(yè)生產(chǎn)中是應該極力避免的，事故的發(fā)生絕不是偶然的，它是多種因素的綜合作用的結果。而利用高壓反應釜進行生產(chǎn)的企業(yè)，就必須保證高壓反應釜在安全穩(wěn)定的前提下高效率運行，這就要求企業(yè)加強管理，對高壓反應釜進行有效監(jiān)控和定期檢驗來保證設備安全和企業(yè)經(jīng)濟效益最大化。