半瀝青減粘裂化裝置不銹鋼管件開裂原因分析與對策

羅世欣 馬曉東

摘 要：本文介紹了半瀝青減粘裂化裝置不銹鋼管件開裂情況，分析了奧氏體不銹鋼管件在裝置停工期間發生連多硫酸應力腐蝕開裂（PTA SCC）的成因，從降低材質敏感性、改善腐蝕環境、消減殘余應力等方面給出了預防性措施，并在生產實際中得到有效性驗證。

關鍵詞：減粘裂化裝置;奧氏體不銹鋼;連多硫酸;應力腐蝕

0 前言

某石化企業半瀝青減粘裂化裝置于1994年建成投產。半瀝青減粘裂化裝置是丙烷脫瀝青--減粘裂化聯合裝置的一部分，設計規模7×104t/a，其生產原料為溶劑脫瀝青后的半瀝青。設計采用了混合加熱（油水混合）--反應--分餾的工藝路線，主體流程材質為普通碳鋼。在2013年9月開工試壓過程中，于2010年經過材質升級的減粘油出裝置系統管件多次出現貫穿性裂紋，造成裝置開工延遲3天。

1 不銹鋼管件開裂情況介紹

半瀝青減粘裂化裝置于2010年8月停工檢修，在檢修準備階段的隱患排查中發現減粘油泵P4102出口系統DN80管道存在腐蝕減薄和結焦現象，利用停工檢修機會對該系統管道進行了同管徑材質升級，材質由碳鋼升級為304不銹鋼。檢修后該裝置于2010年9月初開工生產，一直運行到2013年8月進入下一個檢修周期，經過材質升級的減粘油出裝置系統未出現異常情況。但在2013年9月初裝置開工前的試壓過程中，一周內此系統出現多處不銹鋼管件貫通性開裂泄漏。

開裂管件分布見圖1。9月5日進行水壓試密時三通⑤本體開裂，進行更換處理。9月6日繼續試壓，法蘭①②頸部又出現多個裂紋漏點，進行補焊處理。9月7日三通⑥也出現裂紋。考慮到今后生產安全，立即緊急采購了該系統材質偏差較大或存在裂紋的管件并更換，新管件10日到貨，到11日晚更換完成，12日進入開工程序，開工時間比原計劃推遲了3天。

2 不銹鋼管件開裂原因分析

2.1 材質符合性原因分析

設備部門牽頭對出現裂紋的法蘭、三通以及該系統的彎頭、管道等進行了全面的光譜分析和探傷檢測，并查詢了304不銹鋼材質成分標準和隨機材質證明。數據對比可以看出，法蘭①②材質主要成分含量與標準以及隨機材質證明書數據嚴重不符，尤其是Ni、Mn含量更是相差甚遠。三通⑤⑥的關鍵成分Cr、Ni含量也偏低。彎頭③和直管段④基本符合標準要求，只是Cr含量略低。

對于304奧氏體不銹鋼來說，Cr是形成高溫耐腐蝕氧化鉻的主要元素，隨著Cr含量的提高，高溫抗腐蝕性能也隨之提高。Ni是穩定奧氏體相的主要成分，對于304不銹鋼，Ni含量增加到8%-10%是確保奧氏體組織所需的水平。由此可見，2010年8月升級的這條管線，材質符合性存在較大問題，尤其是法蘭片的主要成分含量問題最大，其次是三通，對不銹鋼材質的耐蝕性能和機械性能影響較大，法蘭和三通在同樣的工況下出現了裂紋也證明這個推斷。

2.2 氯離子應力腐蝕開裂分析

生產過程中泵4102出口系統管道輸送介質為減粘油。

該減粘油雖然含硫為0.36%，酸值為0.76mg·KOH/g，但含水小于0.02%，且含氯小于10ppm，溫度為300℃左右，在此缺氧無水的干燥工況下，對于304不銹鋼材質而言一般不會發生氯離子或連多硫酸應力腐蝕開裂。該部分管道在2010年更換投用，連續運行3年未出現應力腐蝕開裂現象也印證了這個觀點。

進一步對停工吹掃過程進行原因分析。按照規范要求，奧氏體不銹鋼在停工期間吹掃、沖洗、試壓時所用新鮮水，其氯離子含量不得超過25ppm。查看lims系統數據，從2013年8月18日到9月10日所用新鮮水氯離子含量都在10ppm-19ppm之間，符合規范要求，因此可以排除氯離子應力腐蝕開裂的可能性。

2.3 停工期間的連多硫酸應力腐蝕開裂分析

半瀝青減粘裂化裝置日常生產處于高溫、高壓、缺氧、缺水的干燥環境，含水小于0.02%，溫度在150℃-440℃之間。由于減粘裂化的需要，半瀝青原料在生產流程中需要加熱到435℃，加工過程中不斷有非活性硫在高溫、高壓的作用下分解為活性硫，因此盡管半瀝青減粘裂化為二次加工裝置，仍然會遭受硫腐蝕和高溫環烷酸腐蝕。也就是說，在運行期間有硫化亞鐵等硫化物生成，停工后殘留在管道內表面。

2013年裝置停工時用蒸汽對管道進行了吹掃和排空，未采取堿洗或氮氣清洗置換措施，不可避免有水、空氣進入管道并與管道內硫化物反應生成連多硫酸（H2SxOy）。而不銹鋼管件在冷拔、焊接或熱彎等制作過程中，殘余應力未有效消除，在連多硫酸和應力的共同作用下奧氏體不銹鋼產生了敏化條件，因而發生了連多硫酸應力腐蝕開裂（PTA SCC）。

3 預防不銹鋼管件開裂的對策

3.1 降低材質應力開裂敏感性

首先，對于存在SCC環境的部位，在適應生產安全和使用壽命的前提下，應盡可能選擇敏感性低的材質。其次，應通過核實材質證明書等把住入廠驗收關，對于接觸SCC環境的重要管件進行入廠光譜分析驗證，保證材質主要成分的符合性。再次，核實穩定熱處理證明，以提升管件熱加工或焊接熱影響區對敏化的耐受性。

3.2 改善應力開裂環境因素

①因減粘油比較粘稠，停工時需用蒸汽吹掃管道，以清除管道內的油品介質，防止減粘油在管道中凝固并實現檢修安全;

②若停工后該系統管道有檢修作業，需在蒸汽吹掃將要結束，管道溫度下降到72℃（水的露點）之前，停止蒸汽吹掃，同時通入Na2CO3含量為2%，且pH值大于9的堿性清洗液，用于中和管道表面上形成的酸，溶解清除生成的硫化物，排空后在金屬表面上留下一層堿性薄膜，起到保護作用，防止檢修時濕空氣進入管道后產生連多硫酸[1];

③若停工后該系統管道沒有檢修作業，可在管道溫度下降到72℃之前，停止蒸汽吹掃，同時通入干氮氣吹掃，排除管道中的水和氧。在安裝盲板以前應一直保持氮氣吹掃;

④如果企業有露點溫度比管道內壁溫度低22℃以上的除濕干空氣，也可以用干空氣代替氮氣進行吹掃和保護，且更為經濟。

3.3 消減殘余應力

據統計，在應力腐蝕開裂故障中，由殘余應力所引起的開裂占80%以上。所以，采取措施消減應力是必要的。一是管道的設計與安裝要合理，避免因安裝別勁、支撐限制、熱脹冷縮等產生外加載荷應力。二是對鍛造、冷拔、熱彎、焊接等形成的晶相變化和殘余應力，應進行穩定熱處理，以減少含鉻碳化物生成，細化晶粒，消減殘余應力。

4 結束語

涉PTA環境奧氏體不銹鋼SCC是停工期間常見故障，給安全生產帶來威脅。但在腐蝕機理研究的基礎上，采取有效措施加以預防，PTA SCC是可以避免的。該企業半瀝青減粘裂化裝置自2013年重新開工以來，先后于2016年和2019年兩次停工，通過應用“3.2改善應力開裂環境因素”相關措施，未再發生管件開裂現象。

參考文獻：

[1]中國石化股份公司煉油事業部，中國石化青島安全工程研究院.煉油裝置防腐蝕策略[M].北京：中國石化出版社，2013：286-314.

作者簡介：

羅世欣，性別：男，籍貫：河南南陽，學歷：本科，職稱：高工，研究方向：石化設備。