煤化工氣化裝置碳洗塔內壁復合層開裂分析

張樂興,鄭民君,文偉,閆登峰,鄭寶軍,楊靜,陳茂林

(1.機械工業上海藍亞石化設備檢測所有限公司,上海 松江 201600;2.中國石油天然氣股份有限公司 塔里木油田分公司,新疆 庫爾勒 841001)

碳洗塔是煤化工氣化裝置的核心設備,主要是將來自氣化爐激冷室的工藝氣體經塔底 水浴、碳洗塔塔盤洗滌冷卻,除去工藝氣體中夾帶的炭渣(固體顆粒),經過塔頂除沫器進行氣液分離后,送至變換工段,進行后續反應。

對某煤制乙二醇氣化裝置三臺碳洗塔進行首次定期檢驗[1],發現內壁復合層大面積點蝕,進行滲透檢測,發現點蝕坑周圍大面積裂紋,呈蜘蛛網狀。針對上述失效情況,通過對復合層開裂部位裂紋的形態分析、化學成分分析,金相組織分析、碳洗塔工藝介質組分、水浴水質分析等檢測方法分析裂紋成因。提出針對性日常操作建議、返修復合層材料升級,其結果為同類、同工藝設備設計、運行條件提供參考。

1 碳洗塔參數

該碳洗塔為Ⅲ類壓力容器,設計工作基本參數見表1。

表1 碳洗塔基本參數

碳洗塔采用14Cr1MoR為主要受壓元件材料,復合層采用S31603。碳洗塔主體結構簡圖見圖1。

注:圖中數字單位為mm。圖1 碳洗塔結構簡圖

2 碳洗塔檢測項目及結果

2.1 宏觀檢查

對碳洗塔外壁進行宏觀檢查,未發現異常變形、泄露。碳洗塔內壁復合層經目視檢查發現第一、第二筒節大面積密集點蝕坑;第三筒節有部分分散點蝕坑,較第一、第二筒節減少。下部人孔面封槽處大面積點蝕坑[2],見圖2～4。

圖2 第一、第二筒節點蝕

圖3 第三筒節點蝕

2.2 滲透檢測

對碳洗塔內壁復合層打磨后,依據NB/T 47013.5—2015《承壓設備無損檢測 第5部分:滲透檢測》進行檢測[3]。發現錐形封頭有分散點蝕坑,部分發展為微小裂紋;第一、第二筒節大面積裂紋,呈蜘蛛網狀;第三筒節有部分點蝕坑,裂紋較第一、第二筒節減少,分散分布;下部人孔密封槽有密集裂紋;第4筒節、第5筒節、球形封頭無裂紋,無點蝕。部分裂紋形貌見圖5。

2.3 化學成分分析

取碳洗塔內壁第一、第二筒節復合層裂紋部位、完好部位,通過便攜式X射線熒光光譜分析,測定其化學成分,結果見表2。

表2 碳洗塔內壁復合層化學成分質量含量測定結果 單位:%

分析表2化學成分數據,碳洗塔內壁復合層化學成分質量分數與GB/T 24522—2017《承壓設備用不銹鋼和耐熱鋼鋼板的鋼帶》[4]的相關要求相符。

2.4 金相分析

取碳洗塔內壁復合層第一筒節裂紋部位、完好部位,采用GB/T 17455—2008《無損檢測 表面檢測的金相復型技術》[5]進行金相組織分析,經機械拋光、王水腐蝕現場覆膜取樣,組織結果見圖6～7。從圖6可見,無缺陷處組織正常,為奧氏體組織。從圖7可見,裂紋部位組織未見異常,為奧氏體,裂紋沿晶界開裂,有分支。裂紋形貌與300系列不銹鋼氯化物應力腐蝕開裂相吻合。

圖6 完好部位金相組織(400×)

圖7 有裂紋部位金相組織(400×)

2.5 介質組分分析和水質分析

進一步分析碳洗塔內壁復合層裂紋成因,對工藝氣組分、碳洗塔水浴水質分析數據進行收集,工藝氣組分分析結果見表3,水質分析結果見表4。

表3 工藝氣組分分析結果

表4 水質分析結果

上述分析結果表明,碳洗塔水浴pH值偏低、呈弱酸性,水中氯離子、NH3-H超過控制指標。在液面波動部位、積液部位容易發生氯離子局部聚集、濃縮,容易引起300系列不銹鋼氯離子點蝕和氯化物應力腐蝕開裂[6]。

3 裂紋原因分析

上述檢驗結果表明,碳洗塔內壁襯里層使用材料符合設計要求,未見材質劣化。內壁復合層在液面波動部位、積液部位存在大面積密集點蝕,蜘蛛網狀裂紋,表明存在氯離子點蝕和氯化物應力腐蝕開裂。碳洗塔水浴水質呈弱酸性,水中氯離子含量大于300 mg/L,超過控制指標3倍以上,在此工作環境下,氯離子在液位波動部位、積液部位發生濃縮聚集,濃度升高,發生300系列不銹鋼氯離子點蝕和氯化物應力腐蝕開裂。氯離子點蝕生成密集點蝕坑,點蝕坑處形成大陰極小陽極,發生電化學反應,腐蝕速率加快,使點蝕坑不斷擴大、連接成片,形成裂紋。

4 返修處理意見

采用電動砂輪機逐層打磨去除復合層上的裂紋、點蝕坑等缺陷,打磨過程中保證每次打磨厚度≤1 mm,打磨過程中監測金屬溫度不宜超過200 ℃、注意監測裂紋是否存在擴展現象,打磨要均勻圓滑,避免傷及母材,打磨利用砂輪機采用不銹鋼磨片(不含鐵離子)進行表面打磨處理,打磨至目視檢查無裂紋缺陷后進行100%滲透檢測,NB/T 47013.5—2015中Ⅰ級合格。

對于裂紋等缺陷深度不超過1 mm的,現場打磨去除圓滑過渡即可。對于裂紋等缺陷深度超過1 mm的,均進行表面堆焊修復處理,選用ENiCrMo-3(Inconel625)作為修復材料。焊接時須保證焊道熔合性,保證熔道質量,為了減少熱裂紋,在保證熔透的前提下,盡量采用小的線能量、短電弧的操作方法。層間溫度須控制在150 ℃以下,層間檢查要仔細、清理要徹底,各層各道之間應相互錯開。當碳洗塔內壁復合層裂紋等缺陷深度達到3 mm,即到14Cr1MoR母材表面堆焊時,則焊前按工藝要求進行預熱,焊后及時進行熱處理[7]。

5 結論與應對措施

對碳洗塔內壁復合層大面積點蝕、裂紋進行檢測,根據檢測結果分析裂紋產生的原因是碳洗塔水浴用水氯離子含量超標、呈弱酸性,在液位波動部位、積液不易流動部位,存在氯離子局部聚集濃縮,發生300系列不銹鋼氯離子點蝕和氯化物應力腐蝕開裂,復合層形成大面積蜘蛛網狀裂紋和點蝕坑。針對裂紋形成的原因,提出以下幾點應對措施:

1)穩定操作、良好的工藝條件是保證設備長周期安全穩定運行的關鍵環節。應嚴格按照設計條件控制工藝參數,控制碳洗塔水浴用水pH值、水中氯離子含量。加大碳洗塔新鮮水補給量,調節水浴用水pH值8～10,水中氯離子含量小于100 mg/L。

2)設計時進行材料升級,也可有效預防氯化物應力腐蝕開裂?？紤]升級碳洗塔內壁復合層材料為Inconel625或Inconel825,加大對氯化物應力腐蝕抵抗能力。