蒸餾裝置穩(wěn)定塔空冷器失效分析與防護

(中國石化青島煉油化工有限責任公司，山東 青島 266500)

常減壓蒸餾裝置是煉化企業(yè)原油加工過程的第一套裝置，為下游裝置提供原料。為回收原油中的輕烴組分，改善產(chǎn)品質(zhì)量，提高裝置的經(jīng)濟效益，裝置設有輕烴回收系統(tǒng)，回收常頂氣中的輕烴組分。常頂氣經(jīng)壓縮與石腦油混合換熱后進入穩(wěn)定塔進行分餾，穩(wěn)定塔頂物料為液化石油氣和少量干氣，介質(zhì)中氯化物和硫化物含量較高。為保證冷卻效果和抗腐蝕能力，穩(wěn)定塔頂空冷器一般采用板式濕空冷器，多臺并列設置，空冷器板片材質(zhì)一般選擇2205雙相不銹鋼。

2205雙相不銹鋼由鐵素體(α相)和奧氏體(γ相)組成，同時具有鐵素體不銹鋼導熱系數(shù)高，熱膨脹系數(shù)小，超塑性好和奧氏體不銹鋼良好的耐點蝕、耐晶間腐蝕及耐應力腐蝕等優(yōu)點，其屈服強度大約是奧氏體不銹鋼的2倍，疲勞強度高于奧氏體不銹鋼，在冶金、化工、能源及近海工程等領域的應用日益廣泛[1]。某煉化企業(yè)新投用的2205板式空冷器運行不到1 a，相繼發(fā)現(xiàn)空冷器板片出現(xiàn)裂紋發(fā)生泄漏。由于泄漏介質(zhì)屬于可燃介質(zhì)，燃爆危險性大，同時含高濃度硫化氫，安全風險較高。為了找出板束開裂原因，提出防護技術措施，對空冷器板片的腐蝕開裂開展失效分析，分析泄漏原因，提出改進措施。

1 穩(wěn)定塔頂氣相工藝流程

某公司10 Mt/a常減壓蒸餾裝置穩(wěn)定塔頂油氣經(jīng)穩(wěn)定塔頂空冷器由60 ℃冷卻至40 ℃后進入穩(wěn)定塔頂回流及產(chǎn)品罐。罐頂?shù)牟荒龤馀c壓縮后的常頂干氣合并后去焦化裝置；冷凝液經(jīng)穩(wěn)定塔頂回流及產(chǎn)品泵抽出后分兩路，一路送回穩(wěn)定塔頂作回流，另一路作為液化石油氣出裝置。

穩(wěn)定塔頂氣相流程見圖1。

圖1 穩(wěn)定塔頂氣相流程示意

穩(wěn)定塔頂空冷器2008年投入使用，在2016年前使用周期為6～8年，2016年更新空冷器投用后，1 a時間內(nèi)相繼發(fā)生泄漏，2017年12月再次更新投用后，運行至2018年上半年幾個月內(nèi)再次發(fā)生泄漏。運行時間遠遠低于設備的正常運行周期，設備可靠運行時間大大降低。

2 失效分析

2.1 失效部位

穩(wěn)定塔頂空冷器共3臺，每臺2片，并列布置，空冷器規(guī)格參數(shù)見表1。

表1 空冷器規(guī)格參數(shù)

失效部位均集中位于穩(wěn)定塔頂板式空冷器2205雙相不銹鋼兩板片貼合處和管箱鑲塊夾持的邊緣焊縫部位，泄漏部位見圖2。

圖2 空冷器泄漏部位

2.2 運行分析

穩(wěn)定塔頂空冷器管程介質(zhì)主要為含硫、氯離子污水、液化石油氣和少量不凝氣，腐蝕性雜質(zhì)主要包括硫化氫和氯離子溶液；空冷器外噴軟化水，密閉循環(huán)使用。

介質(zhì)組成見表2。

表2 介質(zhì)組成

從穩(wěn)定塔頂介質(zhì)組成來看，穩(wěn)定塔頂空冷器存在濕硫化氫和氯離子的腐蝕機理，對空冷器的長周期運行有不利作用。經(jīng)過1 a內(nèi)對穩(wěn)定塔頂含硫污水的氯離子、鐵離子及pH值分析來看，除氯離子有短時間波動，含硫污水的組成沒有明顯變化，均在指標范圍內(nèi)。

穩(wěn)定塔含硫污水氯離子、鐵離子及pH值趨勢見圖3。

圖3 含硫污水數(shù)據(jù)

對失效空冷器出入口管線進行測厚，原始厚度為11 mm，未發(fā)現(xiàn)明顯腐蝕，測厚數(shù)據(jù)見圖4。

圖4 測厚數(shù)據(jù)

將入口管線短接拆下觀察，亦未發(fā)現(xiàn)有明顯的腐蝕痕跡。從穩(wěn)定塔頂回流罐處腐蝕探針來看,也沒有明顯變化，穩(wěn)定回流罐腐蝕速率趨勢見圖5。

圖5 穩(wěn)定回流罐腐蝕速率

從介質(zhì)組成、測厚數(shù)據(jù)和腐蝕速率來看，腐蝕介質(zhì)的組成基本穩(wěn)定，沒有出現(xiàn)明顯的上升，腐蝕速率也沒有明顯變化，說明設備本體并沒有出現(xiàn)大面積的腐蝕，介質(zhì)組成腐蝕特性并不是空冷器運行周期急劇縮短的主要原因。

2.3 失效分析

2.3.1 試樣分析

空冷器板束結構為2205薄板片壓制成型，兩邊薄板組焊并與夾持鑲塊焊接固定后，再與管箱端板焊接構成，圖6為空冷板束的基本結構。

圖6 空冷板束結構

對失效空冷板片取樣分析，試樣經(jīng)PT滲透檢測確定裂紋位置，使用角磨機去除夾持鑲塊，板片板邊氬弧焊焊縫缺失的部位為原鑲塊位置。從圖7中可見裂紋較平直，位于電阻焊焊縫內(nèi)部且擴展方向平行于焊接方向，裂紋的一端與鑲塊的邊緣位置在縱向位置上接近。板片表面除一處裂紋外未見其他缺陷。

圖7 試樣宏觀形貌

對失效板片母材、焊縫部位截取試樣進行成分、金相及電鏡分析，分析部位和方法見圖8，其中1號部位為靠近管箱夾持鑲塊的板片部位。

2.3.2 成分分析

失效空冷器板片材質(zhì)為2205雙相不銹鋼，國產(chǎn)板片，根據(jù)GB/T 11170—2008對板片母材進行化學成分分析，結果見表3。分析結果表明母材材料化學成分滿足ASTM A240標準要求，但Cr,Mo含量均靠近下限。

圖8 試樣分析部位

w,%

2.3.3 金相分析

試樣經(jīng)機械拋光，采用10%草酸水溶液電解腐蝕，對應的金相組織分析見表4、圖9至圖10，結果表明母材組織中鐵素體和奧氏體兩相比例滿足要求，焊縫組織中鐵素體含量過高，局部超出90%。一般要求鐵素體含量不超過70%。

表4 金相組織分析

圖9至圖10為試樣不同部位的金相組織對比圖。

圖9 1號部位金相組織

圖10 2號部位金相組織

金相分析結果表明母材組織細小致密，組織為鐵素體加奧氏體，比例滿足40%～60%標準要求；焊縫區(qū)晶粒組織比母材粗大，金相組織以鐵素體為主，尤其是電阻焊部位，鐵素體含量超過90%，已經(jīng)失去雙相鋼的原有金屬組織特性。

對樣品的硬度檢測結果表明局部硬度高于HRC30，說明有脆性相析出，通常應控制母材和焊接接頭的硬度值不大于HRC25較為合適[2]。

2.3.4 微觀形貌分析

采用掃描電子顯微鏡(SEM)對斷口的微觀形貌進行觀察分析，取樣部位見圖11，對試樣裂紋斷口及周圍的微觀形貌進行觀察分析，發(fā)現(xiàn)斷口部位具有明顯的腐蝕微觀形貌，見圖11(a)，且表現(xiàn)出解理斷口的特征，可見明顯的“扇形”花樣和解理臺階，見圖11(b)。

圖11 斷口部位腐蝕形貌

兩板片的連接處即電阻焊縫部位形成一條約40 μm寬的溝槽，見圖12(a)，溝槽內(nèi)呈現(xiàn)出解理斷裂的特征，見圖12(b)。

圖12 焊縫部位腐蝕形貌

從斷口微觀形貌和解理圖樣分析斷裂是由兩板片內(nèi)表面貼合處的腐蝕引起，并且是在應力的作用下發(fā)生的。

對試樣板片內(nèi)表面的腐蝕產(chǎn)物進行EDS成分分析，結果見圖13。由圖13可見，腐蝕產(chǎn)物中存在較多的硫化物和氯化物。

2.3.5 試驗結果

(1)材料母材化學成分滿足標準要求，但Cr，Mo含量靠近下限。

(2)金屬組織由奧氏體和鐵素體兩相組成，母材組織兩相比例正常，焊縫組織中鐵素體含量嚴重偏高。

(3)在板片的斷裂部位兩板片貼合焊縫處觀察到明顯腐蝕，在斷口表面存在氯和硫的應力腐蝕斷裂的解理特征。

(4)腐蝕產(chǎn)物中含有較多的氯元素和一定量的硫元素。

圖13 試樣腐蝕產(chǎn)物EDS分析結果

3 失效原因綜合分析

3.1 腐蝕因素

在兩板片貼合處表面以及電阻焊焊縫部位，由于結構原因，介質(zhì)腐蝕產(chǎn)生的腐蝕產(chǎn)物以及原料中的雜質(zhì)等容易在兩板片電阻焊貼合處形成的窄間隙中沉積，并且腐蝕產(chǎn)物中含有較多的氯和硫元素，進而為垢下腐蝕和縫隙腐蝕創(chuàng)造了條件，促進了腐蝕的擴展。

3.2 焊接工藝

當雙相不銹鋼焊接接頭中的鐵素體和奧氏體含量各接近50%時，雙相不銹鋼焊接接頭性能較好，接近母材的性能。改變這個比例關系，將使雙相不銹鋼焊接接頭的耐蝕性能和力學性能 (尤其是韌性 )下降[3]。在2205雙相不銹鋼焊接過程中，受熱循環(huán)作用，焊縫金屬從高溫冷卻時鐵素體向奧氏體的轉(zhuǎn)變極不平衡，該轉(zhuǎn)變和焊縫的成分、冷卻速度有關[4]。凝固點至1 200 ℃，所有雙相不銹鋼的金相組織全部由鐵素體組成，奧氏體是在1 200～800 ℃冷卻過程中從鐵素體析出的，而奧氏體析出的多少受諸多因素的影響。過低的焊接線能量，尤其是板片與端板焊接部位，由于熱擴散較為迅速，快速冷卻導致熱影響區(qū)和焊縫組織奧氏體來不及析出，鐵素體含量過高，大大降低了耐腐蝕性能和力學性能，而且由于焊接熱循環(huán)的作用，在焊接時相當于對焊縫及熱影響區(qū)進行局部熱處理，焊縫金屬處于熱力不平衡狀態(tài)，采用同質(zhì)焊接材料和填絲焊材料或者焊絲填充量不足時，會導致焊縫金屬的鐵素體含量大大增加，甚至出現(xiàn)純鐵素體,使得機械性能和耐腐蝕性能下降[5]。

從結構上分析，由于空冷器板片上鑲塊夾持的邊緣部位結構不連續(xù)，成型焊道后續(xù)又經(jīng)過多次焊接，造成焊縫處雙相鋼金屬組織熱輸入不平衡，局部有δ相析出[6]，在周圍形成貧鉻區(qū)，材質(zhì)劣化嚴重，抗腐蝕能力大大降低。焊縫處金屬組織不連續(xù)成為應力集中區(qū)，在工藝介質(zhì)中硫、氯等腐蝕元素的作用下，發(fā)生板片焊縫組織的應力腐蝕開裂，斷裂機理為解理斷裂。

4 控制措施

4.1 材料控制

換熱板片應用進口2205薄板，板片用材的牌號和化學成分應滿足ASTMA240/A240M-2017相關標準，且Cr,Mo含量應在標準范圍內(nèi)含量靠上限，盡量降低材料雜質(zhì)含量，提高抗腐蝕能力。

4.2 焊接工藝控制

(1)板片長條焊縫采用電阻焊+鎢極氬弧焊(GTAW)封邊，除此之外的鑲塊、端板焊縫的焊接全部采用鎢極氣體氬弧焊，且采用填絲焊。焊接材料應符合《承壓設備用焊接材料訂貨技術條件》的要求，管頭、端板等部位焊材應選用與進口板片相配套的鎳、氮含量高的焊絲，促進焊縫組織奧氏體的形成。

(2)氬弧焊和電阻焊應進行焊接工藝評定，不進行焊前預熱和焊后熱處理，避免δ相析出，并確定合理的焊接熱輸入量，實施焊接時，應控制層間溫度小于150 ℃，保護氣體選98%Ar+2%N2，其中添加適量N2是彌補焊縫處的氮損失，氮可以增加焊縫組織中奧氏體的比例。

(3)焊接接頭的收弧焊道應覆蓋起始焊道，兩層焊接中根部焊道應被后一道的焊道充分覆蓋，且焊縫的起弧、收弧點應相互錯開。

(4)調(diào)整焊接工序，降低板片夾持鑲塊部位的焊接次數(shù)，降低焊縫部位的應力。控制焊接電流，維持合適的焊接線能量輸入，既要避免降溫過快奧氏體含量過低，又要避免溫度過高導致金屬組織δ相析出，應保持板片母材區(qū)域奧氏體含量為40%～60%，焊縫及熱影響區(qū)、焊接接頭進行奧氏體含量檢測，含量控制在30%～70%。

4.3 介質(zhì)腐蝕組分控制

從工藝源頭控制原油組分中硫、氯含量不超標，運行介質(zhì)參數(shù)、組成有較大波動時，及時調(diào)整塔頂負荷，避免設備短時間內(nèi)受高濃度腐蝕組分沖擊，引發(fā)腐蝕泄漏。

4.4 防腐控制

(1)維持穩(wěn)定塔頂緩蝕劑注入，調(diào)整緩蝕劑的抑制腐蝕的方向以偏抗硫化氫為主，并控制緩蝕劑的pH值中性或弱堿性。

(2)空冷內(nèi)部管箱端板與板片夾持鑲塊的所有焊縫應滿刷涂防腐漆，入口端外部板片自上端板向下500 mm高度刷涂防腐漆，防腐漆應保證耐濕熱溫度200 ℃以上。

5 結 語

常減壓蒸餾裝置穩(wěn)定塔頂板式空冷器采用2205雙相鋼板片，應從材料來源加強控制，應用雜質(zhì)含量低的優(yōu)質(zhì)板片，并應制定合適的焊接工藝，確保焊縫部位和熱影響區(qū)的鐵素體和奧氏體含量比例合適，避免有害中間相的析出，保證材料本身的抗腐蝕性不受影響。并應加強運行管理，著重控制介質(zhì)中硫、氯含量不超標，采用注緩蝕劑、內(nèi)部防腐涂料等方式加強設備的抗腐蝕能力，延長設備運行周期。