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炼油厂换热器壳程筒体开裂原因分析点击：1819 日期：[ 2014-04-26 22:00:36 ] |
| 炼油厂换热器壳程筒体开裂原因分析 张明武1陈宝旭1冯巍2王雪光3王志丹4 （1．辽阳市锅炉压力容器检验研究所辽宁辽阳111000） （2．辽阳石油化纤公司英华化工厂辽宁辽阳111000） （3．辽阳石油化纤公司设备检修部辽宁辽阳111000） （4．辽阳澳深低温设备制造有限公司辽宁辽阳111000） 【摘要】在湿H2S环境下，压力容器容易产生应力腐蚀开裂，造成容器失效。本文通过对检验案例的分析，并对湿H2S环境下设备的的使用与管理提出了一些看法和建议。 【关键词】换热器 压力容器 应力腐蚀 前言 中国石油辽阳石化分公司是中石油下属的一个企业，使用的是辽河油田的原油，属于高硫原油。通过最近二个检验周期的检验，发现炼油厂设备常常受湿H 2S环境下应力腐蚀而破坏。随着原油品质的不断劣化，近几年由于湿H2S应力腐蚀开裂引起失效事例有逐渐上升的趋势。在潜在的湿H2S环境下，具有腐蚀开裂破坏机理的设备有很大比例，这类破坏机理给设备带来了很大隐患，大大增加了设备风险，装置中高风险的设备比例超过了20%，有的甚 至达到了40%。 1.开裂原因分析 1.1检验案例 2005年该厂停产检修期间，对焦化车间一台U形管换热器进行内外部全面检验，外部检验时对 壳程筒体超声波测厚，发现与管箱侧连接的壳程筒体有分层，测得的一组厚度值约为9.7～9.9mm，均大于设计壁厚16mm的一半，后经超声波探伤检测，确认为母材分层，并确认了约为400cm2范围，抽出管束后见分层处内壁鼓泡，对鼓泡处及周围壳程筒体内壁做渗透检测，检测出8条裂纹，裂纹长度为40～50mm不等，深度为8～12mm，如图1所示。 如能够采用湿荧光磁粉做内 壁检测，灵敏度能更高，更容易发现微小裂纹。 技术参数如表1。 压力容器内外表面不允许有裂纹，如有裂纹，应当打磨去除，在允许范围内不需补焊的，不影响定级，否则应补焊。该换热器裂 纹深度已达8～12mm，且存在多条裂纹，已不能保证设备的安全运行，没有修复价值了，企业已更换 此台设备。 1.2 开裂原因分析 （1）液化石油气中一般含有一定量的H2S，我国有关部门规定，液化石油气中H2S的含量不得超过20mg/m3，H2S在水中会发生水解反应，并生成具有非常强的活性的原子态[H]，一部分吸附在钢板表面并复合成气态氢既H2，成气泡从 液化气中逸出，另一部分则向金属内部扩散富集，过饱和的原子态氢遇夹杂物、空穴等缺陷结合生成分子氢，分子氢产生的压力 可达几千至上万兆帕，从而产生了氢致开裂分层、氢鼓泡等严重缺陷。氢致开裂沿着缺陷方向或沿着晶界方向，这些裂纹主要夹在钢板内部。氢至分层如图2所示。 （2）换热器除受氢致开裂分层、鼓泡破坏外，还受硫化物应力腐蚀的破坏。应力腐蚀开裂是受拉应力的材料和特定的腐蚀介质的共同作用，而产生的一种脆性破坏，而且往往一些高韧性的金属材料，如低碳钢、铬镍奥氏体不 锈钢等，容易产生这样的脆性破坏，所以应力腐蚀破裂对压力容器的危害很大。 应力腐蚀破裂机理一般倾向于电化学——机械复合作用原理。金属在腐蚀介质中首先发生电化学腐蚀，一定时间后金属表面产生塑性变形，然后产生较长的微裂纹，裂纹端部应力集中及渗入裂纹内部吸附物质的楔入作用，促使裂纹扩 展，从而又暴露了新鲜的表面，继续在介质中腐蚀，其过程重复进行，直到材料断裂为止。 碳钢、低合金钢与湿H 2 S介质正是易于产生应力腐蚀破裂的金属材料和环境的组合。检测出的 裂纹发生在与管箱连接的壳程筒体内壁，此处受壳程介质操作压力下的最大拉应力，另外此处是介质进出口位置，介质流速快、温度高，含湿H2S浓度高，更易造成 应力腐蚀开裂。筒体受分析如图3 所示。 式中： F——壳程工作压力下受最大 的拉力kg A——壳程筒体截面积cm2 式中： D——筒体外径cm D=80+（1.6×2）=83.2cm2 d——筒体内径cm d=80cm 由计算可得，壳程筒体受到的轴向拉应力为24.5MPa，按薄膜强度理论，径向拉应力是轴向拉应力的 二倍，即δ 2 =2δ 1 =2×24.5=49MPa，因此应力腐蚀开裂首先从径向开裂，本台换热器的壳程裂纹均是径向开裂，方向与轴向水平。 （3）钢中有害杂质硫、磷的含量对应力腐蚀的影响。压力容器钢的纯净化是近30年来压力容器钢发展最主要的目标之一，纯净的压力容器钢不仅可改善压力 容器的制造工艺性，如焊接性良好，防止在钢的焊接过程中生成冷裂纹、热裂纹与层状撕裂等各种缺陷，更重要的是可显著改善 压力容器钢的使用性能，从而大 大提高压力容器的使用安全性。在抗湿H 2 S腐蚀性能方面，钢中硫化锰夹杂物会引起氢致裂纹的开裂，而磷的微观偏析含量的增高会加速氢致裂纹的扩展。因此为提高钢的抗湿H2S腐蚀性能，应将钢中硫、磷含量降到最低，否则硫、磷含量偏高将增大在湿 H 2 S环境下的应力腐蚀开裂的可能性。 2.预防应力腐蚀的措施 氢致分层、氢致鼓泡、应力腐蚀等缺陷会引起金属材料强度和韧性的降低，从而降低受压容器的使用寿命，严重危害受压容器的安全使用，因此为了避免这种情况发生，建议采取以下几项措施： （1）在炼油厂石油炼制中要采用先进工艺、先进设备，脱硫工艺中尽量降低H 2 S浓度，采用含硫量低的原油。 （2）选用金属材料时限制钢中有害杂质硫、磷的含量，我国标准规定压力容器用钢中硫含量≤0.020%,磷含量≤0.030%，实际选用中最好在≤0.010%以下。 （3）大型换热器制造中，焊缝焊完后要进行消氢处理，整体焊后还要进行整体消除应力热处理，一般采用在500～600℃保温2小时来消除容器制造中残余应力，达到防止应力腐蚀破裂的目的。 （4）提高压力容器的制造质量，减少变形，如焊缝咬边、棱角度与错边量超标、电弧灼伤、板材轧伤等，这样可以防止局部应力集中、内应力增大，减少电化学腐蚀阳极过程，从而防止应力腐蚀开裂。 （5）要定期检验压力容器，及时发现缺陷，及时处理，作出安全使用评估。 （6）在满足生产工艺的前提下，要尽量降低操作压力、操作温度，降低应力腐蚀进程。 （7）在物料进出接管上设置可拆卸的试验管段，便于经常观察液化石油气介质对设备及管道的腐蚀情况，及时采取防腐蚀措施。 3.结束语 氢致分层、应力腐蚀开裂的检测及原因分析、预防应力腐蚀 的措施，这些工作对于压力容器的安全使用，减少安全隐患，提高企业经济效益都是具有重要意义的。 参考文献 [1]闫长周.液化石油气储罐氢致分层的超声检测.压力容器，2005年8月. [2]程四祥、胡久韵.炼油厂湿H2S环境下开裂的RBI分析结果与NAC统 计数据的比较分析.压力容器，2005年12月. |
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