催化裂化分餾塔頂油氣冷卻器濕硫化氫應力腐蝕問題探討

路建雷

(福建省鍋爐壓力容器檢驗研究院，福建 福州 350000)

1 前言

催化裂化作為將重組分轉化為輕質油的核心裝置之一，催化汽油在多個國家的汽油池中比例超過50%,國內通常在70%以上[1]。我國要求車用燃油逐步實現無硫化（國V車用汽柴油硫含量控制在10ppm以下），然而催化裂化汽、柴油中的硫是原料油中帶入的，如果能將原料油中硫除盡，汽柴油產品與再生煙氣就不需要脫硫了，但考慮到成本因素很難實施[1]。因此現階段煉廠往往通過一系列的工藝組合不斷降低油品中的硫含量，這也意味著部分裝置內工藝介質含有硫化物，存在濕硫化氫應力腐蝕風險。

隨著原料油中硫元素含量的升高,濕硫化氫應力腐蝕所威脅的裝置越來越多，由于應力腐蝕屬于一種低應力脆性破壞,斷裂前很少出現宏觀的塑性變形,這種毫無征兆的脆斷給生產帶來極大的安全隱患，嚴重阻礙著煉油裝置的長周期安全運行[2-6]。

文中通過無損檢測發現的催化裂化裝置內濕硫化氫應力腐蝕實例，分析產生的原因，結合原因提出工程上應對濕硫化氫應力腐蝕的建議，實現煉廠長周期安全運行。

2 檢測對象與方法

某廠2015年12月至2016年1月停工檢修，對催化裂化裝置某分餾塔頂油氣冷卻器（E0003）進行無損檢測。經查工藝流程，并與設備使用單位核實，分餾塔頂絕壓3公斤，溫度115℃，塔頂介質為汽油、液化氣、干氣、硫化氫、水等，塔頂注緩蝕劑后經空冷冷卻至60℃，再經水冷冷卻至40℃。分餾塔頂油氣冷卻器（E0003）主要作用為將分餾塔頂工藝介質進行冷卻，殼程介質為塔頂餾份，管程介質為循環水。

2.1 E0003相關參數

設備殼程殼體材料為16MnR，化學成分見表1。制造時未采用焊后熱處理，帶焊縫標識的設備簡圖如圖1所示，設備設計與操作條件見表2。

表1 材料化學成分（%）

圖1 設備簡圖

表2 設備操作與設計條件

2.2 無損檢測方法與比例

宏觀檢驗：目視加使用5X放大鏡。

測厚儀型號：26MG型，精度±0.1mm。

磁粉機型號：CDX-Ⅲ型，紅磁膏為磁粉，水懸液（15-20）g/l為磁懸液，使用交叉磁軛法探傷，檢測標準為NB/T47013.4-2015[7]。

超聲機型號：HS610e，使用2.5Z8X12 K2.5型號探頭脈沖反射法單面雙側掃查，檢測標準為NB/T47013.3-2015[7]。

將焊縫打磨后，對設備整體進行目視宏觀檢驗，對設備管程、殼程殼體內表面焊縫進行100%磁粉檢測，在外表面用超聲對板材、焊縫進行檢測，對于重點部位如焊縫處進行100%超聲檢測。

3 檢測結果與裂紋類型

對殼程殼體內表面進行磁粉檢測時，發現環縫H3、H4及縱縫Z3存在大量密集型裂紋，部分裂紋呈樹枝狀，其他位置裂紋相對較少，未噴反差劑典型磁粉檢測結果如圖2(a)所示，為更好觀察裂紋，噴上反差劑后典型磁粉檢測結果如圖2(b)所示，從圖2可清楚地看出焊縫附近的大量裂紋。

檢測結果表明裂紋主要產生于焊接接頭及熱影響區，并且兩環縫（H3與H4）與縱縫Z3相交的T型焊縫接頭處裂紋較多。從裂紋形態上看，斷續存在并呈網狀開裂及龜裂，通過金相觀察裂紋微觀形態，金相試樣結果如圖3所示，通過金相判斷，裂紋主要呈沿晶開裂。結合裂紋的形貌和開裂部位，參考相關文獻[8-12]，分析裂紋屬于硫化物應力腐蝕開裂。

圖2 焊縫磁粉檢驗結果

圖3 試樣金相分析結果

4 裂紋原因分析與處理建議

4.1 原因分析

經查裝置歷史，裝置于2012年升級改造，改造前設備使用正常，檢測時并無裂紋報告。改造后裝置處理量提升，原油更換為沙特原油，原油中硫元素質量分數為1.3%，塔頂注油溶性緩蝕劑，注入量穩定。

根據以上情況，從工藝方面分析，在油氣冷卻過程中會冷凝出液態水，硫化氫氣體部分溶解并與游離水構成濕硫化氫環境，在殘余應力作用下產生濕硫化氫應力腐蝕開裂。雖然弱堿性緩蝕劑的注入提高了系統pH值，降低硫化氫含量，減緩了均勻腐蝕，但也存在處理量波動但緩蝕劑注入量并未及時調整的情況，系統中的硫化氫并未被完全中和，防止濕硫化氫應力腐蝕開裂完全依靠工藝措施難度很大。

從設備方面分析，設備材料16MnR碳、錳含量高，根據國際焊接學會推薦的碳當量計算公式[13]，計算得到板材碳當量為0.405%，碳當量高，焊縫與熱影響區硬度較高，加上未進行焊后熱處理，設備在濕硫化氫環境中會存在嚴重開裂傾向，加之工藝防腐的不可靠造成了設備開裂。考慮到環縫H3、H4一方面遠離入口，此處液體相較其它位置更為穩定，可能是游離H2S含量最高的位置，同時H3、H4處附近有開孔，受應力集中的影響，高殘余應力會增加硫化物應力腐蝕開裂的敏感性[9]，造成環縫H3、H4附近裂紋較多。

4.2 處理建議

針對此臺設備給出如下處理：

（1）設備仍在原工藝介質、工藝條件下操作會存在極大風險，建議及時更換。

（2）如仍需繼續使用此臺設備，應對設備進行全面檢測與評估，將發現的裂紋缺陷打磨消除，對打磨深度小于壁厚余量的凹坑圓滑過渡處理，打磨凹坑深度大于壁厚余量時設備應做報廢處理。同時進行熱處理，改善焊接接頭和熱影響區的組織和性能，降低殘余應力。

5 對策

總結此臺設備濕硫化氫應力腐蝕開裂原因，為實現煉廠長周期安全運行，提出如下防范濕硫化氫應力腐蝕開裂建議：

（1）工藝防腐：應準確了解設備內工藝介質成分，精心操作，根據當前工藝條件、介質參數等，適時、適量注入適合的緩蝕劑，同時保證緩蝕劑的質量。

（2）裝置應嚴格按照設計負荷和設計條件進行生產操作，對偏離設計條件的操作應進行嚴格評估，充分考慮工藝改變可能導致的諸如濕硫化氫應力腐蝕等問題的可能性。

（3）合理選擇設備材料，存在濕硫化氫應力腐蝕傾向時應采用強度等級較低的材料，以有效降低焊縫與熱影響區的碳當量和硬度。

（4）進行熱處理消除殘余應力，通過熱處理釋放焊接、冷加工等過程的殘余應力。控制焊縫及熱影響區的硬度分別降到HB200、HV245以下。

（5）加強設備全服役周期管理并定期檢測。設備制造過程中焊接和熱處理過程應嚴格監控，確保設備質量；設備停工檢修時加強對焊縫及熱影響區等濕硫化氫應力腐蝕重點發生部位、表面制造缺陷與機械損傷處等應力集中處的檢驗。