循環氫壓縮機干氣密封系統接管腐蝕開裂原因分析

(中國石油天然氣股份有限公司蘭州石化分公司，甘肅 蘭州 730060)

隨著原油重質化、劣質化及環保法規的日益嚴格，特別是油品質量標準的升級，加氫裝置在煉油企業的作用越來越重要。然而，因加氫裝置大型化、原料油劣質化及運行工況苛刻化，其腐蝕泄漏問題日益突出。循環氫壓縮機作為加氫裝置中的關鍵設備，其運行的安全可靠性對保障整個裝置的安全生產和經濟效益有重要的意義。

隨著裝備水平的不斷提高，越來越多的企業選用高效、節能的離心式壓縮機作為加氫裝置的循環氫壓縮機，因此圍繞離心式壓縮機核心設備而布置的安全防護設施可謂是重中之重。同離心泵一樣，離心式壓縮機也需要對轉子進行密封，防止物料泄漏，干氣密封很好地解決了這一問題。在日常使用過程中，干氣密封的維護保養非常重要，一旦維護不到位或使用不當將導致聯鎖停運，嚴重影響整個裝置的運行，造成不可估量的經濟損失。該文針對離心式壓縮機在預硫化過程中出現的腐蝕開裂和泄漏問題進行了原因分析，并提出了相應的處理措施。

1 干氣密封系統原理及控制

某煉油廠汽油加氫裝置循環氫壓縮機選用帶中間迷宮的串聯式干氣密封結構，其結構示意見圖1。

1.1 干氣密封工作原理

干氣密封的工作原理如圖2所示。動環旋轉時產生的黏性剪切力帶動被密封氣體(氫氣)進入螺旋槽內，密封壩阻止氣體流動，于是氣體被壓縮，局部壓力升高，將密封面分開，形成氣膜。當氣膜作用力形成的開啟力與由彈簧力和介質作用力組成的閉合力達到平衡時，氣膜厚度基本保持不變，從而實現非接觸密封。

1—動環；2—靜環；3—傳動塊；4—O型密封圈；5—軸套；6—動環座；7—螺釘；8—公差帶；9—壓緊套；10—彈簧；11—墊片

1.2 干氣密封控制系統

該干氣密封控制系統由低壓缸密封控制系統、高壓缸密封控制系統及增壓系統三部分組成(見圖3)。循環氫壓縮機所有控制系統的連接管線(接管)材質均為0Cr18Ni9(304不銹鋼)。

圖2 干氣密封的工作原理

圖3 循環氫壓縮機的干氣密封控制系統

2 預硫化過程及接管開裂情況

加氫裝置在檢修后首次開工時，需要對再生后的氧化態催化劑進行預硫化以便恢復催化劑的硫化態活性。一般采用的硫化劑為二甲基二硫醚(DMDS)，在氫氣(H2)作用下發生化學反應產生大量硫化氫(H2S)氣體。

富含硫化氫的循環氫經過壓縮機的推動，在反應器內與氧化態催化劑反應，使之活化為硫化態，并生成富含硫化氫的水。一般在硫化過程中需維持反應器入口硫化氫體積分數為0.5%～1.0%。由于壓縮機的一級密封氣為工藝氣，也就是循環氫，在該加氫裝置檢修完成進行硫化時，干氣密封控制系統連接管線發生腐蝕開裂(見圖4)，裝置預硫化被迫中止。

圖4 管線開裂泄漏的部位

3 開裂原因分析

3.1 開裂部位及形態

由圖4可以看出，開裂發生在干氣密封控制系統不銹鋼接管的焊縫區域，經著色檢查，發現焊口開裂。

3.2 介質分析

預硫化階段測得的循環氫中硫化氫含量見表1。預硫化過程循環氫中其他雜質氣體分析結果見表2。

表1數據為使用純凈氫氣做一級密封氣測得。由表1可見，整個預硫化期間，循環氫中硫化氫含量遠大于一般硫化過程中對硫化氫含量的要求。

表1 預硫化階段循環氫中硫化氫含量

表2 硫化過程循環氫組分分析 mL/m3

從表2可以看出，硫化過程中，循環氫里還含有少量一氧化碳、二氧化碳及微量氯化氫。

3.3 開裂原因分析

(1)該裝置在初次硫化時，含有高濃度硫化氫的循環氫被引入到干氣密封的控制系統連接管線里。接管內部介質為富含硫化氫的氫氣，溫度約50 ℃，而預硫化過程中，氧化態催化劑反應活化為硫化態，會生成富含硫化氫的水，形成典型的濕硫化氫腐蝕環境。由于水的存在，也會在一定程度上造成系統微量氯離子的富集和濃縮。這是接管開裂的環境因素。

(2)接管材質為普通304不銹鋼，宏觀觀察和著色探傷表明，該接管開裂附近有多道焊縫，焊縫表面粗糙，由于現場缺乏加熱手段，沒有進行焊后固溶熱處理，這就導致不銹鋼焊縫附近組織處于敏化狀態，晶界耐蝕性降低，且焊后接管殘余應力較高。同時由于面臨開工預硫化，現場不能截取試樣做詳細檢查，也不能排除材料缺陷及焊接缺陷導致的開裂。這是接管開裂的材質因素。

(3)正常工況下，304不銹鋼在濕硫化氫環境中耐蝕性良好，不容易發生腐蝕，然而當碳質量分數超過0.03%的非穩定化奧氏體型不銹鋼受到敏化溫度的影響時，碳化物在晶界析出(敏化)，就會造成鄰近晶界的區域貧鉻，使其耐蝕性大幅降低，成為腐蝕開裂的重要誘因。在裝置預硫化時，循環氫里硫化氫嚴重超標，并含有較多的水分及氯化氫等雜質，介質腐蝕性增強，在焊接殘余應力和工作應力的雙重作用下，最終導致304不銹鋼接管焊縫區域腐蝕開裂。

4 結論及建議

(1)焊接導致304不銹鋼敏化，晶界耐蝕性降低，殘余應力增加，這是接管焊縫開裂的材質因素。

(2)在裝置預硫化時，循環氫里硫化氫嚴重超標，并含有較多的水分及雜質，介質腐蝕性增強，這是接管開裂的環境因素。

(3)建議升級干氣密封系統的管線材質，由現在的0Cr18Ni9(S30408)升級為超低碳不銹鋼(S30403)或穩定化不銹鋼材質，避免和減輕焊接過程導致的敏化。

(4)在加氫裝置硫化過程中，建議嚴格控制系統循環氫中硫化氫體積分數,不應大于2.0%。

(5)硫化過程中，干氣密封系統的一級密封氣應使用純度(體積分數)大于85%的新氫；硫化結束后，在正常生產階段，可將循環氫切換為一級密封氣，但應嚴格控制其硫化氫體積分數不大于50 μL/L。