路建雷

(福建省鍋爐壓力容器檢驗研究院，福建 福州 350000)

1 前言

催化裂化作為將重組分轉(zhuǎn)化為輕質(zhì)油的核心裝置之一，催化汽油在多個國家的汽油池中比例超過50%,國內(nèi)通常在70%以上[1]。我國要求車用燃油逐步實現(xiàn)無硫化（國V車用汽柴油硫含量控制在10ppm以下），然而催化裂化汽、柴油中的硫是原料油中帶入的，如果能將原料油中硫除盡，汽柴油產(chǎn)品與再生煙氣就不需要脫硫了，但考慮到成本因素很難實施[1]。因此現(xiàn)階段煉廠往往通過一系列的工藝組合不斷降低油品中的硫含量，這也意味著部分裝置內(nèi)工藝介質(zhì)含有硫化物，存在濕硫化氫應(yīng)力腐蝕風(fēng)險。

隨著原料油中硫元素含量的升高,濕硫化氫應(yīng)力腐蝕所威脅的裝置越來越多，由于應(yīng)力腐蝕屬于一種低應(yīng)力脆性破壞,斷裂前很少出現(xiàn)宏觀的塑性變形,這種毫無征兆的脆斷給生產(chǎn)帶來極大的安全隱患，嚴重阻礙著煉油裝置的長周期安全運行[2-6]。

文中通過無損檢測發(fā)現(xiàn)的催化裂化裝置內(nèi)濕硫化氫應(yīng)力腐蝕實例，分析產(chǎn)生的原因，結(jié)合原因提出工程上應(yīng)對濕硫化氫應(yīng)力腐蝕的建議，實現(xiàn)煉廠長周期安全運行。

2 檢測對象與方法

某廠2015年12月至2016年1月停工檢修，對催化裂化裝置某分餾塔頂油氣冷卻器（E0003）進行無損檢測。經(jīng)查工藝流程，并與設(shè)備使用單位核實，分餾塔頂絕壓3公斤，溫度115℃，塔頂介質(zhì)為汽油、液化氣、干氣、硫化氫、水等，塔頂注緩蝕劑后經(jīng)空冷冷卻至60℃，再經(jīng)水冷冷卻至40℃。分餾塔頂油氣冷卻器（E0003）主要作用為將分餾塔頂工藝介質(zhì)進行冷卻，殼程介質(zhì)為塔頂餾份，管程介質(zhì)為循環(huán)水。

2.1 E0003相關(guān)參數(shù)

設(shè)備殼程殼體材料為16MnR，化學(xué)成分見表1。制造時未采用焊后熱處理，帶焊縫標(biāo)識的設(shè)備簡圖如圖1所示，設(shè)備設(shè)計與操作條件見表2。

表1 材料化學(xué)成分（%）

圖1 設(shè)備簡圖

表2 設(shè)備操作與設(shè)計條件

2.2 無損檢測方法與比例

宏觀檢驗：目視加使用5X放大鏡。

測厚儀型號：26MG型，精度±0.1mm。

磁粉機型號：CDX-Ⅲ型，紅磁膏為磁粉，水懸液（15-20）g/l為磁懸液，使用交叉磁軛法探傷，檢測標(biāo)準為NB/T47013.4-2015[7]。

超聲機型號：HS610e，使用2.5Z8X12 K2.5型號探頭脈沖反射法單面雙側(cè)掃查，檢測標(biāo)準為NB/T47013.3-2015[7]。

將焊縫打磨后，對設(shè)備整體進行目視宏觀檢驗，對設(shè)備管程、殼程殼體內(nèi)表面焊縫進行100%磁粉檢測，在外表面用超聲對板材、焊縫進行檢測，對于重點部位如焊縫處進行100%超聲檢測。

3 檢測結(jié)果與裂紋類型

對殼程殼體內(nèi)表面進行磁粉檢測時，發(fā)現(xiàn)環(huán)縫H3、H4及縱縫Z3存在大量密集型裂紋，部分裂紋呈樹枝狀，其他位置裂紋相對較少，未噴反差劑典型磁粉檢測結(jié)果如圖2(a)所示，為更好觀察裂紋，噴上反差劑后典型磁粉檢測結(jié)果如圖2(b)所示，從圖2可清楚地看出焊縫附近的大量裂紋。

檢測結(jié)果表明裂紋主要產(chǎn)生于焊接接頭及熱影響區(qū)，并且兩環(huán)縫（H3與H4）與縱縫Z3相交的T型焊縫接頭處裂紋較多。從裂紋形態(tài)上看，斷續(xù)存在并呈網(wǎng)狀開裂及龜裂，通過金相觀察裂紋微觀形態(tài)，金相試樣結(jié)果如圖3所示，通過金相判斷，裂紋主要呈沿晶開裂。結(jié)合裂紋的形貌和開裂部位，參考相關(guān)文獻[8-12]，分析裂紋屬于硫化物應(yīng)力腐蝕開裂。

圖2 焊縫磁粉檢驗結(jié)果

圖3 試樣金相分析結(jié)果

4 裂紋原因分析與處理建議

4.1 原因分析

經(jīng)查裝置歷史，裝置于2012年升級改造，改造前設(shè)備使用正常，檢測時并無裂紋報告。改造后裝置處理量提升，原油更換為沙特原油，原油中硫元素質(zhì)量分數(shù)為1.3%，塔頂注油溶性緩蝕劑，注入量穩(wěn)定。

根據(jù)以上情況，從工藝方面分析，在油氣冷卻過程中會冷凝出液態(tài)水，硫化氫氣體部分溶解并與游離水構(gòu)成濕硫化氫環(huán)境，在殘余應(yīng)力作用下產(chǎn)生濕硫化氫應(yīng)力腐蝕開裂。雖然弱堿性緩蝕劑的注入提高了系統(tǒng)pH值，降低硫化氫含量，減緩了均勻腐蝕，但也存在處理量波動但緩蝕劑注入量并未及時調(diào)整的情況，系統(tǒng)中的硫化氫并未被完全中和，防止?jié)窳蚧瘹鋺?yīng)力腐蝕開裂完全依靠工藝措施難度很大。

從設(shè)備方面分析，設(shè)備材料16MnR碳、錳含量高，根據(jù)國際焊接學(xué)會推薦的碳當(dāng)量計算公式[13]，計算得到板材碳當(dāng)量為0.405%，碳當(dāng)量高，焊縫與熱影響區(qū)硬度較高，加上未進行焊后熱處理，設(shè)備在濕硫化氫環(huán)境中會存在嚴重開裂傾向，加之工藝防腐的不可靠造成了設(shè)備開裂。考慮到環(huán)縫H3、H4一方面遠離入口，此處液體相較其它位置更為穩(wěn)定，可能是游離H2S含量最高的位置，同時H3、H4處附近有開孔，受應(yīng)力集中的影響，高殘余應(yīng)力會增加硫化物應(yīng)力腐蝕開裂的敏感性[9]，造成環(huán)縫H3、H4附近裂紋較多。

4.2 處理建議

針對此臺設(shè)備給出如下處理：

（1）設(shè)備仍在原工藝介質(zhì)、工藝條件下操作會存在極大風(fēng)險，建議及時更換。

（2）如仍需繼續(xù)使用此臺設(shè)備，應(yīng)對設(shè)備進行全面檢測與評估，將發(fā)現(xiàn)的裂紋缺陷打磨消除，對打磨深度小于壁厚余量的凹坑圓滑過渡處理，打磨凹坑深度大于壁厚余量時設(shè)備應(yīng)做報廢處理。同時進行熱處理，改善焊接接頭和熱影響區(qū)的組織和性能，降低殘余應(yīng)力。

5 對策

總結(jié)此臺設(shè)備濕硫化氫應(yīng)力腐蝕開裂原因，為實現(xiàn)煉廠長周期安全運行，提出如下防范濕硫化氫應(yīng)力腐蝕開裂建議：

（1）工藝防腐：應(yīng)準確了解設(shè)備內(nèi)工藝介質(zhì)成分，精心操作，根據(jù)當(dāng)前工藝條件、介質(zhì)參數(shù)等，適時、適量注入適合的緩蝕劑，同時保證緩蝕劑的質(zhì)量。

（2）裝置應(yīng)嚴格按照設(shè)計負荷和設(shè)計條件進行生產(chǎn)操作，對偏離設(shè)計條件的操作應(yīng)進行嚴格評估，充分考慮工藝改變可能導(dǎo)致的諸如濕硫化氫應(yīng)力腐蝕等問題的可能性。

（3）合理選擇設(shè)備材料，存在濕硫化氫應(yīng)力腐蝕傾向時應(yīng)采用強度等級較低的材料，以有效降低焊縫與熱影響區(qū)的碳當(dāng)量和硬度。

（4）進行熱處理消除殘余應(yīng)力，通過熱處理釋放焊接、冷加工等過程的殘余應(yīng)力。控制焊縫及熱影響區(qū)的硬度分別降到HB200、HV245以下。

（5）加強設(shè)備全服役周期管理并定期檢測。設(shè)備制造過程中焊接和熱處理過程應(yīng)嚴格監(jiān)控，確保設(shè)備質(zhì)量；設(shè)備停工檢修時加強對焊縫及熱影響區(qū)等濕硫化氫應(yīng)力腐蝕重點發(fā)生部位、表面制造缺陷與機械損傷處等應(yīng)力集中處的檢驗。