裂解爐蒸汽減溫器內(nèi)套和管線開裂失效分析

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(中國石油 蘭州石化分公司， 甘肅 蘭州 730060)

某石化公司乙烯裝置有5臺SC-1型裂解爐，其作用是利用高溫裂解氣熱量和高溫?zé)煔庥酂醽懋a(chǎn)生高壓過熱蒸汽。乙烯裂解爐汽包產(chǎn)生的飽和蒸汽由低溫過熱器加熱為超高壓過熱蒸汽，再經(jīng)噴水減溫器噴水降溫進(jìn)入高溫過熱器進(jìn)行二次過熱，產(chǎn)生超高壓過熱蒸汽送出作為裝置壓縮機(jī)動力用蒸汽。

該高溫裂解氣超高壓蒸汽管線規(guī)格(外徑×厚度)為?273 mm×32 mm，材質(zhì)為ASTM A312-304H。2017-04-10起，2#、4#、1#、5#裂解爐減溫器的出口與超高壓蒸汽管線的焊縫連接處相繼發(fā)生了貫穿性裂紋。裂解爐汽水系統(tǒng)流程和蒸汽管線泄漏部位見圖1。

對2#裂解爐進(jìn)行了消漏處理，隨后在運(yùn)行中又發(fā)現(xiàn)減溫器的出口上方超高壓蒸汽管線彎頭處也有兩道焊縫泄漏。3#裂解爐減溫器本體焊縫也發(fā)生泄漏，被迫進(jìn)行了輪換停車消漏處理。1#、3#、4#裂解爐減溫器本體內(nèi)套也發(fā)生開裂，為此整體更換了減溫器。對1#、4#裂解爐蒸汽管線焊縫打磨處理時(shí)還發(fā)現(xiàn)有延伸裂紋，也一并更換了管線。2#、5#裂解爐減溫器后管線焊口消漏處理后運(yùn)行中又出現(xiàn)泄漏，被迫進(jìn)行打卡子處理。

圖1 裂解爐汽水系統(tǒng)流程和蒸汽管線泄漏部位示圖

為了保證裝置的安全長周期運(yùn)行，文中對4#爐減溫器內(nèi)套和出口損傷部位的蒸汽管線進(jìn)行取樣分析，并提出了預(yù)防措施。

1 減溫器內(nèi)套及蒸汽管線檢驗(yàn)分析

1.1 宏觀檢驗(yàn)

蒸汽管線內(nèi)、外壁無明顯腐蝕。

按 NB/T 47013.5—2015《承壓設(shè)備無損檢測——滲透檢測》[1]進(jìn)行管線內(nèi)、外壁滲透檢測發(fā)現(xiàn)，內(nèi)壁焊縫處存在多處平行的沿軸向擴(kuò)展裂紋，有1條裂紋已穿透至外壁，斷口表面凹凸不平，附著大量腐蝕產(chǎn)物，清洗后呈現(xiàn)疲勞輝紋形貌。減溫器內(nèi)套外壁無明顯腐蝕坑，外壁存在多條平行的沿周向擴(kuò)展裂紋，見圖2。

圖2 4#爐內(nèi)套外壁裂紋

1.2 化學(xué)成分分析

采用光譜分析儀對減溫器內(nèi)套和蒸汽管線樣品進(jìn)行了化學(xué)成分分析，6點(diǎn)測試平均值結(jié)果見表1。

從表1可知，其測試結(jié)果符合ASTM A213/213M[2]對TP304H不銹鋼管的要求。

表1 管線和內(nèi)套化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) %

1.3 金相組織分析

蒸汽管線1#金相樣品的組織為奧氏體，存在由內(nèi)壁向外壁穿晶擴(kuò)展的裂紋，見圖3a；焊縫與熔合區(qū)組織為奧氏體+枝晶狀δ鐵素體，見圖3b。

內(nèi)套金相組織為奧氏體，存在由內(nèi)壁向外壁穿晶和沿晶擴(kuò)展的裂紋(圖4)，組織正常。

圖3 蒸汽管線1#金相樣品裂紋形貌及金相組織

圖4 內(nèi)套金相組織

1.4 斷口掃描電鏡分析

蒸汽管線裂紋的整個(gè)斷口表面存在大量的腐蝕產(chǎn)物，并且存在二次裂紋，見圖5。內(nèi)套清洗后的斷口呈現(xiàn)大量的疲勞輝紋，并且斷口存在少量腐蝕坑，見圖6。

圖5 蒸汽管線斷口掃描電鏡分析結(jié)果

圖6 內(nèi)套斷口掃描電鏡分析結(jié)果

1.5 蒸汽管線腐蝕產(chǎn)物能譜分析

蒸汽管線腐蝕產(chǎn)物的能譜分析結(jié)果見圖7，其結(jié)果為金屬氧化物，未發(fā)現(xiàn)S2+、Cl-腐蝕性元素的存在。

圖7 蒸汽管線腐蝕產(chǎn)物能譜分析

2 減溫器內(nèi)套及蒸汽管線開裂原因分析

2.1 失效機(jī)理

減溫器內(nèi)套和蒸汽管線宏觀檢查可見，內(nèi)壁處存在多處沿軸向或周向平行擴(kuò)展裂紋。由金相檢測、裂紋及斷口特征等分析可知，內(nèi)套和蒸汽管線開裂特征基本一致，裂紋由內(nèi)壁啟裂，由內(nèi)壁向外壁穿晶和沿晶擴(kuò)展，斷口表面凹凸不平，附著大量腐蝕產(chǎn)物。清洗后，裂紋源區(qū)和擴(kuò)展區(qū)呈現(xiàn)疲勞輝紋形貌，裂紋尖端圓鈍，符合低周疲勞破壞特征[3-4]。斷口表面有二次裂紋和腐蝕坑，說明在裂紋的擴(kuò)展過程中，伴有應(yīng)力腐蝕開裂發(fā)生。結(jié)合減溫器內(nèi)套和蒸汽管線的操作條件分析，失效主要由于熱疲勞所致，應(yīng)力腐蝕促進(jìn)了裂紋的擴(kuò)展。

2.2 工藝分析

(1)減溫器將經(jīng)過低溫過熱器的超高壓蒸汽進(jìn)行減溫后再進(jìn)入高溫過熱器進(jìn)行二次過熱。因減溫器霧化效果不良，可直接造成減溫器后蒸汽管線內(nèi)壁帶水，使減溫器后蒸汽管線內(nèi)壁出現(xiàn)干濕交替區(qū)域。減溫水和蒸汽中含有微量Cl-，減溫器進(jìn)行噴水減溫時(shí)，蒸汽中微量的氯化物會溶入噴入的減溫水中，減溫水中Cl-在蒸汽加熱蒸發(fā)過程中被不斷反復(fù)蒸發(fā)濃縮并在管壁上富集。2016-10～2017-04-20，裂解爐鍋爐給水和爐水的氯離子分析數(shù)據(jù)見表2。

表2 裂解爐鍋爐給水和爐水的氯離子分析數(shù)據(jù)

(2)裂解爐開停車過程中，減溫器和其后蒸汽管線內(nèi)壁處于過飽和蒸汽區(qū)和過熱區(qū)交變的情況，Cl-會發(fā)生反復(fù)蒸發(fā)濃縮。

(3)減溫器后蒸汽管線內(nèi)介質(zhì)應(yīng)為過熱蒸汽，設(shè)計(jì)壓力12.1 MPa，操作壓力11.23 MPa。設(shè)計(jì)減溫器入口溫度460～560 ℃，出口溫度382 ℃，實(shí)際操作中減溫器入口溫度530 ℃左右，出口溫度330 ℃左右。在實(shí)際操作壓力為11.3 MPa條件下，飽和蒸汽溫度為320.15 ℃(實(shí)際操作也出現(xiàn)過低于此溫度的情況)，即當(dāng)管線蒸汽溫度波動時(shí)，或在保溫不良的情況下，當(dāng)壁溫低于蒸汽飽和溫度時(shí)，在管壁上就可能析出冷凝水，這為Cl-反復(fù)濃縮創(chuàng)造了條件。

(4)在管線焊縫焊接時(shí)，焊口內(nèi)部的粗糙和凹凸現(xiàn)象的存在也極易使減溫水在此處聚集，在蒸汽溫度升溫過程中也伴隨著此處減溫水的蒸發(fā)、Cl-濃縮，為應(yīng)力腐蝕和均勻腐蝕提供了介質(zhì)條件。

2.3 金屬熱疲勞開裂分析

裂解爐減溫器及出口超高壓蒸汽管線通常因?yàn)楣軆?nèi)溫度波動產(chǎn)生的交變熱應(yīng)力發(fā)生熱疲勞破壞。熱疲勞開裂是指介質(zhì)溫度變化使管壁產(chǎn)生熱應(yīng)力而造成的裂紋,產(chǎn)生的原因一般為沿管件圓周的溫度分布不均勻[3-9]。減溫器運(yùn)行過程中由于注水不能瞬間完全霧化或運(yùn)行中霧化效果不佳，以及溫度調(diào)節(jié)和閥門內(nèi)漏等因素，致使管線內(nèi)水、汽混合不均勻，導(dǎo)致大量水滴飛濺到管道內(nèi)壁，造成管道圓周的溫度分布不均，使內(nèi)壁局部區(qū)域因熱脹冷縮不匹配產(chǎn)生循環(huán)熱應(yīng)力，同時(shí)裝置的開停車，尤其是異常情況下的緊急停車都將加劇管線交變熱應(yīng)力的產(chǎn)生，最終導(dǎo)致管線疲勞開裂。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，自裝置開車以來，僅2#裂解爐因?yàn)榈诙崩錈峤粨Q器(SQE)泄漏和引風(fēng)機(jī)電氣原因?qū)е碌耐t或波動次數(shù)為12次，特別是2016年大檢修后，2#裂解爐因引風(fēng)機(jī)電氣原因?qū)е铝呀鉅t波動3次，因SQE泄漏造成裂解爐停爐1次，這些停爐和波動都會造成裂解爐減溫器和其后蒸汽管線溫度急劇變化，產(chǎn)生交變熱應(yīng)力。

管道中發(fā)生介質(zhì)反復(fù)蒸發(fā)濃縮工況部位的溫度明顯低于其他部位的溫度，造成該部位產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力。在反復(fù)蒸發(fā)濃縮工況下，該部位的溫度波動較大，產(chǎn)生了較大幅度的熱應(yīng)力波動，形成了熱應(yīng)力疲勞的力學(xué)條件。

在焊縫表面幾何不連續(xù)處，由于應(yīng)力集中和在該部位產(chǎn)生反復(fù)蒸發(fā)濃縮工況，造成該部位的應(yīng)力水平和波動幅度更大，更容易使該部位發(fā)生熱應(yīng)力疲勞破壞。

2.4 氯離子應(yīng)力腐蝕分析

關(guān)于奧氏體不銹鋼的氯離子應(yīng)力腐蝕行為的研究較多，機(jī)理已經(jīng)比較明確[10-15]。根據(jù)API RP 571[16]，氯離子應(yīng)力腐蝕開裂對所有300系列的不銹鋼都十分敏感，因?yàn)槁入x子會發(fā)生濃縮，無最低氯離子含量的限制，傳熱條件會明顯增加開裂的敏感性，干濕或蒸汽和水的交替變換也會加速開裂。

雖然腐蝕產(chǎn)物能譜分析結(jié)果未發(fā)現(xiàn)S2+、Cl-腐蝕性介質(zhì)元素存在，但內(nèi)套和管線斷口表面微觀上同時(shí)存在二次裂紋，是應(yīng)力腐蝕開裂的特征，而且減溫器內(nèi)套斷口存在少量腐蝕坑，可見裂紋擴(kuò)展的同時(shí)存在應(yīng)力腐蝕作用。

腐蝕產(chǎn)物主要是在裂紋擴(kuò)展后，在斷口表面形成的。腐蝕產(chǎn)物中不含氯等元素，可能的原因：①取樣部位裂紋是穿透性的，而氯化物的溶解度很高。蒸汽在運(yùn)行過程中的持續(xù)泄漏，帶走了管道中的氯化物。②停車后，管道中的冷凝液帶走了氯化物。 ③在裂紋樣品機(jī)加工過程中，冷卻液也可帶走腐蝕產(chǎn)物中的氯化物。

腐蝕產(chǎn)物的主要成分為Cr、Ni等不銹鋼所含金屬元素的氧化物，應(yīng)為不銹鋼受腐蝕以后生成的金屬離子水解后形成的，這間接證明氯離子參與了腐蝕過程。類似裝置的同類管線也曾出現(xiàn)過在熱應(yīng)力的作用下，304H奧氏體不銹鋼發(fā)生氯離子應(yīng)力腐蝕開裂的案例[17-20]。因此，氯離子應(yīng)力腐蝕開裂存在的風(fēng)險(xiǎn)不能忽視，需引起關(guān)注。

綜上所述，管線和內(nèi)套開裂主要是因?yàn)闊崞谠斐傻?，裂紋擴(kuò)展過程中同時(shí)有應(yīng)力腐蝕的作用，減溫器霧化效果不良是造成管線和內(nèi)套熱疲勞的主要原因，管線內(nèi)存在水汽反復(fù)蒸發(fā)濃縮工況也是導(dǎo)致應(yīng)力腐蝕的主要原因。

3 建議

(1)嚴(yán)格執(zhí)行工藝指標(biāo)操作，穩(wěn)定減溫器后蒸汽管線溫度的調(diào)節(jié)，確保減溫器運(yùn)行過程中霧化良好，杜絕因水、汽混合不均勻致使管道圓周溫度分布不均的現(xiàn)象發(fā)生，避免內(nèi)壁局部區(qū)域因溫度不均勻變化產(chǎn)生交變熱應(yīng)力。

(2)防止在蒸汽溫度調(diào)節(jié)過程中減溫器后蒸汽管線內(nèi)壁出現(xiàn)過飽和狀態(tài)，發(fā)生氯離子反復(fù)濃縮的情況。

(3)應(yīng)避免裝置異常狀況下的緊急停車，以免管線和水汽介質(zhì)由于溫度的急劇變化而造成以上熱應(yīng)力和應(yīng)力腐蝕情況的發(fā)生。

(4)對于存在氯離子的應(yīng)力腐蝕開裂環(huán)境，尚需進(jìn)一步對奧氏體不銹鋼材料的適用性進(jìn)行研究、評估和論證，同時(shí)根據(jù)其它鍋爐和裂解爐相同部位蒸汽管線的材質(zhì)使用情況，采用鉻鉬鋼材質(zhì)或其他耐氯離子點(diǎn)蝕和應(yīng)力腐蝕更好的材料，避免蒸汽管道發(fā)生氯離子應(yīng)力腐蝕。

(5)改進(jìn)設(shè)備結(jié)構(gòu)提高焊接質(zhì)量，降低交變載荷和局部應(yīng)力，以減緩疲勞和應(yīng)力腐蝕斷裂的敏感性。