乙烯裝置脫甲烷塔再沸器殼程入口接管泄漏原因及對策

李早東，孟晉安，彭磊(中石油蘭州石化公司，甘肅 蘭州 70000)

1 概述

脫甲烷塔再沸器是利用管程介質熱能將脫甲烷塔塔底物料加熱、分離，以提高脫甲烷塔中甲烷-氫、乙烯收率[1]。某乙烯裝置脫甲烷塔再沸器的殼程介質為脫甲烷塔釜液，主要為C2以上重組分，入口溫度為-7.6～-5.9 ℃；管程介質為丙烯，出口溫度為2.38～2.50 ℃。再沸器殼程和管程材質為0Cr18Ni9，基本結構圖如圖1 所示。2019 年檢查發現再沸器殼程入口接管S1 法蘭與補強管鍛件近焊縫區存在4 處明顯泄漏點，近焊縫區出現貫穿性裂紋和氣孔，殼程物料泄漏，換熱器接管焊縫出現開裂失效。由于脫甲烷塔再沸器是單臺運行且無法單獨切出檢修，乙烯裝置非計劃停工，造成生產經濟損失[2]。

圖1 脫甲烷塔再沸器宏觀形貌結構圖

經查相關資料，S1 出口規格為DN200(8″)，失效部位補強管和法蘭材質均為0Cr18Ni9，兩管在焊接中采用了單面開坡口，氬弧焊打底，外壁填充、蓋面的焊接方式。為查明S1 入口部位泄漏原因，本文采用宏觀檢測、化學成分分析、金相分析及力學性能測試等方法進行分析并提出了合理建議[3]。

2 宏觀檢查與材料分析

2.1 宏觀檢查

殼程入口接管S1 宏觀檢查未見裂紋附近有明顯塑性變形，而表現出低應力脆性斷裂特征。內壁位于焊縫兩側的局部區域有明顯腐蝕坑，且內壁焊縫成型不良，咬邊嚴重[4]。依據NB/T 47013.5—2015 《承壓設備無損檢測 第5 部分：滲透檢測》的要求，對送檢失效管段內、外壁進行滲透檢測。結果表明，焊縫上未見有裂紋，裂紋均為橫紋，分布于焊縫兩側，長度約為10 mm。根據內外壁裂紋分布和數量初步判斷裂紋應從外壁啟裂。

2.2 材料分析

2.2.1 光譜分析

依據開裂部位，對法蘭側母材、管側母材進行光譜分析，如表1 所示。結果表明，法蘭側母材、管側母材的C、Mn 元素含量均高于JB 4728—2000 對0Cr18Ni9 材料的最高含量要求，Cr、Ni元素均低于標準要求，不滿足JB 4728—2000 中對0Cr18Ni9 鍛件的化學成分要求。焊縫金屬的化學成分基本正常。

表1 光譜分析結果

2.2.2 力學性能分析

從樣品管側和法蘭側軸向部位取樣進行室溫拉伸實驗，實測值試驗結果表明，補強管的斷后伸長率不滿足JB4728 中對0Cr18Ni9 鍛件的要求，法蘭的拉伸性能指標滿足力學性能要求[5-6]。

2.2.3 掃描電鏡及能譜分析

對測試樣品斷口進行清洗等處理，使用掃描電鏡觀察斷口微觀形貌。斷口均為沿晶開裂，在斷裂面上可見有二次裂紋，具有晶間型應力腐蝕和局部晶間應力腐蝕開裂特征[7]。對斷口表面結垢物進行能譜分析，可知，斷口表面腐蝕性元素主要有O、Cl 和S，其中O 含量高達42.89%，Cl 含量高達1.72%，S 含量高達3.90%。同樣，對裂紋縫隙內結垢物進行能譜分析，結果表明，裂紋縫隙內腐蝕性元素主要有O、Cl 和S，其中O 含量最高為33.23%，Cl 含量最高達為1.72%，S 含量最高達3.18%。

2.2.4 晶間腐蝕試驗分析

從樣品上截取補強管和法蘭母材分別進行來樣狀態和重新固溶處理狀態(經1 060 ℃×1.25 h 淬火處理) 的晶間腐蝕試驗，試驗按照GB/T 4334—2008 中的方法E-不銹鋼硫酸-硫酸銅腐蝕試驗方法進行。試驗結果顯示，來樣狀態均具有非常嚴重的晶間腐蝕傾向，而經固溶處理后補強管仍有晶間腐蝕傾向，法蘭則無晶間腐蝕傾向。

3 分析與討論

3.1 技術方面

裂紋金相、斷口及腐蝕產物取樣分析結果表明，脫甲烷塔再沸器殼程入口接管焊縫附近區域開裂性質為晶間型應力腐蝕和局部晶間腐蝕。化學成分分析結果顯示，補強管與法蘭化學成分中C、Mn、Cr、Ni 元素含量不滿足JB 4728 中對0Cr18Ni9 鍛件的化學成分要求。開裂是從接管外壁開始，且主要表現為晶間型應力腐蝕。失效接管外部為酸性大氣環境，主要含有SO2、H2S、CO2、Cl2等酸性介質。斷口表面及裂紋縫隙內腐蝕產物能譜分析檢出O、Cl、S 等元素，與其內、外部介質環境基本吻合。基于上述，該容器接管S1 補強管和法蘭化學成分不合格，特別是補強管在制造過程未進行充分地鍛造加工及最終固溶處理，材料抗敏化性較低，最終在化工外部腐蝕環境中發生晶間應力腐蝕開裂[8]。

3.2 管理方面

乙烯裝置中不銹鋼容器應用廣泛，在總設備數量中占比大。在深冷分離過程中，不銹鋼容器發生晶間應力腐蝕開裂的失效模式是普遍存在的。如何避免乙烯深冷分析系統中不銹鋼容器再次出現類型失效故障？一方面要選用質量更好、符合更高標準的補強管和法蘭；另一方面要采用專業的防腐措施進而避免腐蝕環境和減少腐蝕介質[9]。通過對同類失效問題分析、檢測及處理，能準確查找根本原因并快速有效地檢修，恢復生產。技術人員務必重視容器防腐措施并定期對容器的腐蝕情況進行深入研究，不斷更新防腐技術手段。

4 結論與措施

脫甲烷塔再沸器泄漏失效主要是由補強管鍛件材質質量問題，補強管段間在制造過程中缺少有效鍛打過程及最終固溶處理，同時在運行過程中存在階段性有害元素而形成晶間應力腐蝕開裂[10]。上述原因，建議從以下方面考慮來防止同類問題再次發生：加強制造再沸器所需金屬材料的入廠檢驗；增設備用再沸器，并對再沸器出入口設置檢修切出閥門等裝置；擴大再沸器檢驗檢測范圍，制定個性化檢驗檢測方案。同時，對于裝置核心再沸器，適當縮短檢驗周期。