揚子石化：新技術攻克應力腐蝕難題

□ 文 / 圖 本刊記者 陶 炎

從2005年開始，揚子石化聯合南京工業大學等高校開展科研攻關，通過玻璃噴丸等技術的研究和應用，預防焊接接頭應力腐蝕開裂。

揚子石化乙二醇裝置不銹鋼設備。

1月8日，2018年度國家科學技術獎公布。其中，揚子石化與南京工業大學、常州大學等高校聯合開發的“特種表面沖擊強化抗應力腐蝕與疲勞技術及應用”獲得國家科技進步二等獎。

外行人很難明白這項技術的重大意義，但是對揚子石化而言，這項技術有效避免了裝置上不銹鋼設備的應力腐蝕。應用這項新技術以來，揚子乙二醇裝置上10多臺不銹鋼塔罐設備再也沒有出現應力腐蝕，設備的安全可靠性大幅提升。

在防止應力腐蝕開裂方法上另辟蹊徑

什么是應力，什么是應力腐蝕？設備專業人士舉了一個生活中常見的事例。夏季吃西瓜，很多人都遇到過這樣的情況。拿刀輕輕的一碰，西瓜就會炸開，原因是瓜皮中存在較大應力。而對于化工設備來說，當材料被腐蝕再遇上應力時，就有可能發生材料開裂。

該項目的主要參與者之一、揚子石化烯烴廠黨委書記、原烯烴廠設備副總工程師史永紅解釋說，應力腐蝕是指設備材料在腐蝕介質和一定的應力共同作用下，產生的以裂紋為主要破壞形態的腐蝕。發生應力腐蝕需同時滿足三個條件：一是材質因素，其中奧氏體不銹鋼是發生應力腐蝕開裂的高度敏感材料；二是環境因素，一定要有腐蝕介質，包括酸、堿、氯離子等；三是一定要有應力作用，這種應力必須是拉應力，而通常情況下，壓應力不會產生應力腐蝕開裂，設備在制造過程的過程中，都會在焊縫、封頭等處留有殘余的拉應力。三個條件必須同時存在，才能產生應力腐蝕。

升級設備材質費用高昂，由于工藝技術的因素，腐蝕介質很難避免，因此，減低或消除殘余拉應力是防止發生應力腐蝕開裂的常用方法。

本次獲獎的新技術，在防止應力腐蝕開裂方法上另辟蹊徑，通過采用玻璃噴丸技術、超聲波技術、激光技術的物理沖擊，在設備金屬表面產生薄薄的“壓應力金屬層”，這個“壓應力金屬層”本身不會發生應力腐蝕開裂，同時，它又是設備金屬材料內部與腐蝕環境之間的“防腐隔離層”，這樣，即便設備材料內部仍有殘余拉應力，應力腐蝕開裂也不會發生。

聯合開展攻關開發新工藝

在揚子石化乙二醇裝置，環氧乙烷精制單元和乙二醇精制單元的壓力容器材質均為奧氏體不銹鋼，其中包括7臺乙二醇蒸發器、兩臺環氧乙烷精制塔。此前，應力腐蝕開裂在這些設備上經常出現。

揚子石化烯烴廠設備管理科科長、原乙二醇車間設備副主任倪東原說，特別是在乙二醇蒸發器的下封頭環焊縫熱影響區，應力腐蝕開裂集中產生。當裝置停車大修進行壓力容器檢測時，通過著色探傷，在乙二醇蒸發器下封頭環焊縫熱影響區發現密密麻麻的縱向微裂紋。而裂紋是壓力容器不允許存在的嚴重缺陷和安全隱患，必須要消除。而消除這些裂紋卻是一個棘手的難題，有時必須將缺陷部件局部更換或將設備整臺更換。

為此，從2005年開始，揚子石化聯合南京工業大學等高校開展科研攻關。通過玻璃噴丸等技術的研究和應用，來指導乙二醇不銹鋼蒸發器等不銹鋼設備制作和維修，預防焊接接頭應力腐蝕開裂，延長設備壽命，保證設備安全運行。

針對上述問題，課題組開發了焊接接頭特種噴丸（玻璃噴丸、超聲波噴丸、激光噴丸）抗應力腐蝕斷裂技術。該技術通過在焊接接頭表面產生納米晶粒及壓應力層，從根本上解決了化工裝置應力腐蝕開裂問題，并具有工藝簡單、高效、環保和低成本的特點。

課題組通過理論、模擬和試驗研究，揭示焊接接頭及其特種噴丸處理和應用中的規律，指導噴丸新工藝的開發及優化，解決化工設備抗應力腐蝕難題。

目前，三種技術都在應用，各有特色。玻璃噴丸技術效率高，操作方便，適合大面積處理，但是裝置現場無法使用，只能在設備制造廠家使用，主要應用于新設備；超聲波噴丸綠色、高效、易操作，壓應力層深，適合于裝置現場處理；激光噴丸是一種非接觸沖擊方法，適合鋯、鈦等特種材料處理。因此，可以根據待處理設備的材料、處理要求選擇合適的噴丸工藝。

新技術應用廣泛成效顯著

目前，揚子石化乙二醇裝置新制造的不銹鋼設備均采用噴丸技術，在設備出廠安裝之前，做一次噴丸。乙二醇裝置更換的3臺乙二醇蒸發器等新設備采用的就是噴丸技術。其他裝置現場的老設備，采用的則是超聲波和激光技術。

史永紅說，采用新技術后，不銹鋼設備的抗應力腐蝕性能得到很大提高，設備的安全性能大幅提升，設備的使用壽命有效延長。

2005年以來，乙二醇裝置多臺更新的不銹鋼設備在制造階段均應用了玻璃噴丸技術，至今這些設備未出現應力腐蝕開裂；2012年對3臺乙二醇蒸發器（舊的在用設備）應用超聲波噴丸技術，至今這3臺設備未再發生應力腐蝕裂紋，設備使用壽命延長至今。

同時，還節省了大量的制造費用、檢修費用、維護費用等。以3臺更換的乙二醇蒸發器為例，相對于升級材質，通過采用噴丸技術，3臺設備僅制造費用就節省336萬元。

這種新技術還在揚子石化的PTA、醋酸等裝置的蒸發器、攪拌軸、換熱器等不銹鋼設備得到了應用，保證了化工裝置的安全運行。

記者也從南京工業大學了解到，針對石化、化工、電力等不同領域關鍵裝備的抗應力腐蝕和疲勞失效難題，科研人員歷經10余年攻關和實踐，開發了系列的低成本、高效、可靠的抗應力腐蝕和疲勞失效的表面處理技術。發明了基于玻璃、超聲、激光的三種表面沖擊強化抗應力腐蝕和疲勞方法，構建了沖擊工藝—微觀結構—強化效果協同評價體系，實現了表面沖擊強化后構件應力腐蝕和疲勞壽命的科學預測。

該項目獲授權發明專利15件，發表論文67篇，其中SCI收錄43篇。成果應用于揚子石化、瀘天化、江蘇通宇等多家大型企業的乙二醇、大化肥等關鍵裝備以及離心壓縮機渦輪、輸氣管道等核心設備，極大提高了設備抗應力腐蝕和抗疲勞性能，保障其安全穩定長周期運行，取得了重大的經濟效益和社會效益。該技術也為各類裝置防止奧氏體不銹鋼應力腐蝕提供了經濟、可靠的方法，極具推廣價值。

技術人員在檢查揚子乙二醇設備的運行情況。