變換爐泄漏原因分析及檢修措施

宋 騰

(河南龍宇煤化工有限公司 河南永城 476600)

河南龍宇煤化工有限公司變換裝置的作用是把來自殼牌煤氣化裝置的粗煤氣中含量過高的CO變換成CO2，同時(shí)生成H2，以調(diào)整粗煤氣中CO和H2的含量，滿足甲醇合成裝置對氫碳比的要求。

1 變換爐結(jié)構(gòu)及泄漏情況

變換裝置原設(shè)計(jì)采用高水氣比寬溫耐硫變換工藝，于2009年改造為低水氣比寬溫耐硫變換工藝。該變換裝置第3變換爐(三變爐)殼體材質(zhì)選用14Cr1MoR+304L(壁厚62 mm+4 mm)，出口彎頭、接管(Ф 508 mm×16 mm)和筋板材質(zhì)均為0Cr18Ni10Ti，法蘭材質(zhì)為14Cr1MoR+304L。

2019年2月，已運(yùn)行多年的三變爐出口部位焊縫(圖1中Ⅰ、Ⅱ)出現(xiàn)多處泄漏(圖2中的白點(diǎn)部位)，遂扒開變換爐出口保溫材料，發(fā)現(xiàn)彎頭和接管上出現(xiàn)多處漏點(diǎn)(圖3和圖4中的白點(diǎn)部位)，泄漏部位均在管件焊縫上。

2 泄漏原因分析

2.1 宏觀檢查

切取部分接管(長約405 mm，寬約300 mm，厚約15 mm)送檢，樣品見圖5。管線外壁呈褐色，無明顯腐蝕痕跡，管線內(nèi)壁已打磨。依據(jù)能源行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《承壓設(shè)備無損檢測第5部分：滲透檢測》(NB/T 47013.5—2015)中的方法[1]，對試樣進(jìn)行滲透檢測，管線外壁未發(fā)現(xiàn)裂紋，管線內(nèi)壁均勻分布橫向平行、網(wǎng)狀裂紋，中間分布多條縱向裂紋，裂紋由內(nèi)壁向外壁開裂，見圖6～圖8。

2.2 實(shí)驗(yàn)室取樣分析

為進(jìn)一步分析管線失效原因，對送檢樣品進(jìn)行金相組織分析，金相試樣取樣部位見圖9。

2.2.1 金相組織分析

(1)非金屬夾雜物

按照國家標(biāo)準(zhǔn)《鋼中非金屬夾雜物含量的測定 標(biāo)準(zhǔn)評級圖顯微檢驗(yàn)法》(GB/T 10561—2005)的規(guī)定[2]，3#金相試樣經(jīng)機(jī)械拋光，在MM6金相顯微鏡下進(jìn)行觀察，評定試樣非金屬夾雜物級別為DS0.5級。

(2)金相組織

按國家標(biāo)準(zhǔn)《金屬顯微組織檢驗(yàn)方法》(GB/T 13298—2015)的規(guī)定[3]，圖9中1#、2#金相試樣經(jīng)機(jī)械拋光，采用鹽酸-硝酸(3+1)混合酸(王水溶液)進(jìn)行腐蝕，金相組織為奧氏體+條帶狀析出相(α鐵素體)，裂紋為穿晶裂紋。圖10和圖11中裂紋呈樹枝狀，分叉，裂紋曲折，“之”字形擴(kuò)展，在主裂紋的邊緣存在孤島狀的腐蝕坑。裂紋起源于管內(nèi)表面，呈平行或網(wǎng)狀，符合應(yīng)力腐蝕裂紋特征，并且網(wǎng)狀裂紋與熱應(yīng)力有關(guān)，熱應(yīng)力方向的不同導(dǎo)致產(chǎn)生平行裂紋或網(wǎng)狀裂紋。

2.2.2 垢物分析

采用EDAX能譜儀對管線內(nèi)壁和斷口表面垢物進(jìn)行分析，結(jié)果見表1。管線內(nèi)壁垢物中含有較多的C、O、Al、Cr、S、Fe等元素，以及少量的Si、Cl、Ni、K、Ti等元素；圖9中1#金相試樣斷口表面垢物中含有較多的C、O、Ni、K、S、Fe等元素，以及少量的Cl元素；圖9中2#金相試樣斷口表面垢物中含有較多的C、O、Ni、K、S、Fe等元素，以及少量的Cl、Cr等元素；圖9中3#金相試樣斷口表面垢物中含有較多的C、O、Ni、K、S、Fe等元素，以及少量的Cl、Cr等元素。

表1 垢物分析結(jié)果

3 失效原因綜合分析

3.1 檢驗(yàn)結(jié)果

(1)試樣金相組織為奧氏體+條帶狀析出相，裂紋為穿晶裂紋。

(2)從宏觀形貌分析，斷口較平緩，表面附著有黑色垢物，斷口存在從內(nèi)向外擴(kuò)展條紋。

(3)從微觀形貌看，斷面附著有較厚垢物，局部露出金屬基體部位存在河流狀花樣及解理臺階，呈解理特征。

(4)從斷口斷面及內(nèi)壁垢物分析結(jié)果看，管線內(nèi)壁垢物中含有較多的C、O、Ni、K、Cr、S、Fe、Al等元素，以及少量的Na、Si、Cl、Ti等元素；斷口表面垢物中含有較多的C、O、Ni、K、S、Fe等元素，以及少量的Cl、Cr等元素。

3.2 失效原因分析

(1)從正常的工藝來看，在該壓力、溫度以及變換工藝中水的露點(diǎn)溫度條件下，該部位不會(huì)發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂。

(2)裝置開車初期和裝置停車末期操作工藝發(fā)生變化時(shí)，如變換工藝氣中含有的不飽和水蒸氣冷凝析出時(shí)，將會(huì)形成含氯的酸性介質(zhì)環(huán)境，導(dǎo)致發(fā)生不銹鋼氯化物應(yīng)力腐蝕開裂。

(3)在不飽和水蒸氣冷凝析出的臨界溫度范圍，將會(huì)出現(xiàn)“干-濕”交替的環(huán)境，即液相水滴、液膜的存在。由于液滴的汽化存在汽化潛熱的問題，比熱容不同，液滴周圍的溫度分布不均勻，導(dǎo)致熱應(yīng)力分布不均；“干-濕”交替的環(huán)境也會(huì)導(dǎo)致氯離子的富集，形成高含氯的環(huán)境，從而引起應(yīng)力腐蝕開裂，開裂的形式表現(xiàn)為網(wǎng)狀裂紋和平行條紋。

3.3 結(jié)果分析

管線開裂原因?yàn)槁然飸?yīng)力腐蝕開裂。

4 改造措施

4.1 選材

應(yīng)力腐蝕一直是影響奧氏體不銹鋼安全使用的重要因素。根據(jù)上述檢測結(jié)果，原奧氏體不銹鋼材料304L和0Cr18Ni10Ti受到氯離子的影響造成開裂，已經(jīng)不能滿足使用要求。對于含水和高溫情況下的變換工藝流程，必須選用能夠防止出現(xiàn)應(yīng)力腐蝕的材料。目前，鎳基合金的使用范圍已非常廣泛，耐腐蝕場合幾乎都要用到鎳基材料，而含鎳質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥42%的合金基本上不受氯離子應(yīng)力腐蝕開裂的影響，見表2[4]。

表2中所列的Ni-Cr-Mo合金有較高含量的鉬或含鎢，專門被設(shè)計(jì)用于抗局部腐蝕(點(diǎn)蝕和縫隙腐蝕)。

表2 某些鎳基合金在67 ℃鹽水中的電化學(xué)腐蝕試驗(yàn)結(jié)果

4.2 可焊接性

可焊接性是能否很好地使用鎳基材料的一個(gè)重要因素。

固溶強(qiáng)化鎳基合金在凝固終結(jié)時(shí)，在室溫下基本上顯示是全奧氏體的。這些合金凝固時(shí)的偏析導(dǎo)致凝固亞晶粒水平成分的局部變化。在很多合金中，合金和雜質(zhì)元素的偏析在凝固結(jié)束時(shí)會(huì)導(dǎo)致形成二次相。偏析會(huì)影響凝固開裂的敏感性，固溶強(qiáng)化鎳基合金已顯示出對晶間的高溫脆化現(xiàn)象的敏感性，即失塑裂紋(DDC)[4]。

Inconel625的焊接材料ERNiCrMo-3含有足夠的鈮來保證凝固終結(jié)時(shí)形成NbC，可促成焊縫金屬微觀組織具有抗DDC的曲折的晶界。

4.3 采用堆焊技術(shù)

采用鎳基合金純材往往費(fèi)用較高，且不利于大范圍使用。堆焊技術(shù)作為一門傳統(tǒng)高效的表面工程技術(shù)，近年來有了許多新發(fā)展，廣泛應(yīng)用在國內(nèi)石化和冶金行業(yè)大型重要設(shè)備的強(qiáng)化和修復(fù)中，并已發(fā)展應(yīng)用于管道內(nèi)壁堆焊。國內(nèi)從引進(jìn)堆焊設(shè)備到自行研發(fā)堆焊技術(shù)，已經(jīng)積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，目前已有幾家大型堆焊企業(yè)可制造堆焊材料。

4.4 具體措施

基材仍選用14Cr1MoR合金結(jié)構(gòu)鋼，該材料適用于高溫高壓的大型設(shè)備，強(qiáng)度計(jì)算略。新管件材質(zhì)：彎頭、接管(Ф 508 mm×16 mm)和法蘭材質(zhì)均為14Cr1MoR(H)+堆焊ERNiCrMo-3，筋板材質(zhì)為14Cr1MoR。

5 結(jié)語

ERNiCrMo-3是以鉬、鈮為主要強(qiáng)化元素的固溶強(qiáng)化型鎳基變形高溫合金，具有優(yōu)良的耐腐蝕和抗氧化性能。三變爐更換出口管件后，新管件的堆焊層鎳基合金ERNiCrMo-3能夠徹底解決氯化物應(yīng)力腐蝕開裂的問題。