循環(huán)氫壓縮機K701A入口管線腐蝕狀況與分析

金聚慧

（中國石油撫順石化公司石油二廠，遼寧 撫順 113004）

0 引言

隨著原油重質(zhì)化、劣質(zhì)化以及環(huán)保法規(guī)的日益嚴格，特別是油品質(zhì)量標準的升級，加氫裝置在煉油企業(yè)的作用越來越重要。加氫裝置中循環(huán)氫的作用是保持反應(yīng)系統(tǒng)氫分壓、帶走反應(yīng)熱以及控制反應(yīng)床層的溫度，從而保證加氫反應(yīng)的順利進行。加氫裝置的循環(huán)氫是靠壓縮機來保證在系統(tǒng)中的循環(huán)的。因此加氫循環(huán)氫壓縮機的運行可靠與否關(guān)系到加氫裝置的正常運行。然而，在長期使用過程中設(shè)備會發(fā)生腐蝕，造成管路穿孔甚至斷裂。如未及時發(fā)現(xiàn)則會造成巨大隱患。

近日，某石化公司煤油加氫裝置循環(huán)氫壓縮機K701A入口管線的局部處（焊縫）發(fā)生了開裂泄漏。為了避免這類事故的再次發(fā)生，需要對腐蝕的原因與腐蝕的機理進行深入研究，并提出防范腐蝕發(fā)生的建議。入口管線的材質(zhì)為20鋼；管線的規(guī)格為Φ104×7mm；管線內(nèi)的介質(zhì)為循環(huán)氫、Cl、H2S；壓力為4.5MPa；溫度為45℃。

1 腐蝕結(jié)果與討論

1.1 管線的宏觀、低倍分析

對管線管樣進行宏觀分析時發(fā)現(xiàn)，該管樣的一端存在焊縫（補焊），裂紋則出現(xiàn)在管樣內(nèi)壁的焊縫附近，如圖1所示。對管樣的裂紋進行低倍分析時發(fā)現(xiàn)，裂紋沿焊縫邊緣（熱影響區(qū)）呈環(huán)向分布，該管樣的另一端及與接管焊縫處無明顯裂紋存在，如圖2所示。

圖1 入口管線管樣的宏觀形貌

圖2 入口管線管樣內(nèi)壁（焊縫處）的低倍形貌

圖3所示為將管樣內(nèi)壁的裂紋最寬處人為打開，得到該管樣的斷口形貌。對管線側(cè)及焊縫側(cè)的斷口形貌進行觀察時發(fā)現(xiàn)，裂紋起源于管內(nèi)壁，由內(nèi)向外擴展，形成“海灘狀”的圓形弧線，并有多條平行的裂紋存在（斷口只是這些平行裂紋中最寬的一條或幾條）。裂紋源的數(shù)目較多，裂紋源之間形成臺階狀態(tài)，斷口上存在腐蝕產(chǎn)物，如圖4所示。因此初步判斷，入口管線焊縫附近出現(xiàn)的裂紋具有腐蝕疲勞裂紋特征。

圖3 入口管線管樣內(nèi)壁（焊縫處）的宏觀、低倍形貌（將方框處的裂紋打開，得到斷口）

圖4 入口管線管樣斷口的低倍形貌：（a）及（b）管線側(cè)；（c）及（d）焊縫側(cè)（管線內(nèi)壁有多條與斷口平行的裂紋存在）

1.2 管線的材質(zhì)分析

從管線管樣上切取塊狀樣品，依據(jù)相關(guān)標準，使用光譜儀等，對其材質(zhì)進行化學(xué)分析。結(jié)果表明，管線的材質(zhì)成分符合20鋼的標準要求，如表1所示。

表1 管線材質(zhì)的化學(xué)成分（wt%）

1.3 管線的金相分析

從管線管樣上切取金相樣品，經(jīng)預(yù)磨、拋光、腐刻后，在顯微鏡下觀察分析，并使用顯微硬度計對管線的焊縫、焊接熱影響區(qū)和基材進行硬度檢測。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，裂紋起源于管線的內(nèi)壁（焊接熱影響區(qū)和基材區(qū)），裂紋由內(nèi)向外擴展，有多條裂紋呈平行狀態(tài)，裂紋內(nèi)存在腐蝕產(chǎn)物充塞，焊接熱影響區(qū)和管線基材區(qū)的金相組織均為鐵素體+珠光體，如圖5及6所示。硬度檢測結(jié)果為：管線基材HV1.0/15s126.1（124.3，128.4，125.7）；焊接熱影響區(qū)HV1.0/15s142.1（140.1，142.9，143.3）；焊縫HV1.0/15s139.4（138.1，141.9，138.2）。

圖5 管線基材的金相組織（橫向截面）

圖6 入口管線管樣的金相組織（縱向截面）

1.4 止回閥的電鏡分析

使用掃描電鏡對管線管樣焊縫斷口（裂紋）處進行形貌觀察和元素成分能譜分析時發(fā)現(xiàn)。管線管樣斷口上被腐蝕產(chǎn)物覆蓋，難以看清斷口的精細形貌。能譜分析表明，斷口上的腐蝕產(chǎn)物主要由O、Fe元素構(gòu)成，即為鐵的氧化物，如圖7所示。

圖7 管樣斷口的SEM+EDS

管線管樣裂紋中也被腐蝕產(chǎn)物充塞，且裂紋的尖端較為圓鈍，具有疲勞裂紋的特征。能譜分析表明，裂紋中的腐蝕產(chǎn)物也主要是由O、Fe元素構(gòu)成，即為鐵的氧化物。局部存在S元素的少量富集，如圖8所示。因此，管線管樣斷口上、裂紋中的腐蝕產(chǎn)物是一致的，均為鐵的氧化物。

圖8 管樣截面裂紋的BEM+EDS

2 腐蝕原因分析

通過對循環(huán)氫壓縮機K701A入口管線焊縫處裂紋的多項理化檢驗分析，認為該入口管線焊縫處的裂紋形成與管線的振動、管線的應(yīng)力、管線內(nèi)介質(zhì)以及管線的材料等因素有著密切的關(guān)系。

（1）循環(huán)氫壓縮機的入口管線通常都存在著一定程度的振動。引起管道（線）振動的主要原因有兩個：①機組的動平衡沒達標或者基礎(chǔ)設(shè)計不合格；②管道內(nèi)氣流脈動引起的管道振動。在生產(chǎn)實踐中所遇到的壓縮機和管道的振動問題主要原因是由于管道內(nèi)的氣流壓力不均勻度過大[1,2]。管道振動所產(chǎn)生的交變載荷可能造成管道系統(tǒng)的局部破裂而發(fā)生介質(zhì)的泄漏；

（2）管線系統(tǒng)是由各種組件、接管等（彎頭、變徑、三通、閥門、法蘭、焊縫）連接而成。在有些部位，如焊縫處就容易產(chǎn)生一定程度的應(yīng)力集中，使得裂紋易于萌生和擴展。本例管線開裂的位置就是在管線焊縫的熱影響區(qū)（應(yīng)力集中處）；

（3）管線內(nèi)介質(zhì)對管線材料的腐蝕作用也會加速裂紋的發(fā)生和發(fā)展。對本例管線裂紋的分析，確認了管線裂紋的產(chǎn)生和擴展不僅受到了管線振動交變載荷的作用，同時還受到了管線內(nèi)O、S等腐蝕作用的影響；

（4）管線材質(zhì)為20鋼，其強度（疲勞強度）較低、耐蝕性也較低，當受到腐蝕疲勞破壞時，其裂紋極易擴展。

因此，入口管線焊縫處裂紋的產(chǎn)生和擴展，主要是由管線振動（交變載荷）、局部應(yīng)力集中（焊縫）和管線內(nèi)介質(zhì)腐蝕等因素共同作用的結(jié)果。

3 結(jié)論及建議

3.1 結(jié)論

（1）管線的材質(zhì)成分符合20鋼的標準要求；

（2）管線的金相組織為鐵素體+珠光體；

（3）管線焊縫處的泄漏是由管線振動（交變載荷）、局部應(yīng)力集中（焊縫）和管線內(nèi)介質(zhì)腐蝕等因素共同作用，而發(fā)生的腐蝕疲勞開裂。

3.2 建議

（1）由于引起管線振動的原因主要為氣流脈動，為消除管線振動，首先是消減氣流脈動。可以在循環(huán)氫壓縮機管線的入口和出口均安裝孔板以消減脈動；安裝緩沖罐，且安裝位置要足夠靠近氣缸，同時注意緩沖罐的選型及與管道的連接方式[3, 4]；

（2）提高管線的焊接質(zhì)量，減少管線焊縫處的應(yīng)力集中。