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        硫磺回收裝置余熱鍋爐過熱器彎頭開裂原因初步分析

        2011-07-25 10:28:16李玉軍蔣仕良
        壓力容器 2011年9期
        關(guān)鍵詞:氯化物過熱器硫磺

        李玉軍,蔣仕良

        (1.河南省鍋爐壓力容器安全檢測(cè)研究院,河南 鄭州 450016;2.天津石化壓力容器檢驗(yàn)研究中心,天津 300271)

        0 引言

        硫磺回收裝置是煉化企業(yè)重要的生產(chǎn)裝置之一,它的主要作用是使原油中所含的硫元素以單質(zhì)或某些化合物的狀態(tài)得以回收利用,以減輕或避免其直接排放對(duì)環(huán)境造成的污染。近年來,隨著環(huán)境問題日趨嚴(yán)重,環(huán)境威脅日益受到廣泛的重視,同時(shí)隨著一些法律和管理辦法的實(shí)施,硫磺回收裝置在煉化企業(yè)中變得更為重要,其技術(shù)經(jīng)濟(jì)性也逐漸趨于合理,成為煉化企業(yè)中不可缺少的組成部分。

        硫磺回收裝置的主要設(shè)備包括反應(yīng)爐、余(廢)熱鍋爐、轉(zhuǎn)化器、冷凝器、捕集器,與一般石油煉制裝置不同的是,硫磺回收裝置的主要危險(xiǎn)因素不是燃燒爆炸(當(dāng)然也存在這種危險(xiǎn)),而是有毒氣體(硫化氫、氨)對(duì)人體的危害。H2S存在于硫磺回收裝置的各個(gè)部分,是硫回收裝置的主要危險(xiǎn)因素。此外,硫回收裝置的嚴(yán)重腐蝕問題也是影響其安全生產(chǎn)的重要因素,需格外加以重視[1]。

        通過對(duì)裝置中余熱鍋爐過熱器彎頭開裂部位的綜合檢驗(yàn)檢測(cè),分析了開裂的產(chǎn)生原因及其對(duì)余熱鍋爐過熱器安全運(yùn)行的影響,并提出了相應(yīng)的預(yù)防與控制措施。

        1 檢驗(yàn)與分析

        1.1 設(shè)備概況

        本次檢驗(yàn)涉及的硫磺回收裝置余熱鍋爐過熱器于2008年7月投用,2008年9月大修停車后,于2009年3月重新開車。開車后,2009年11月車間發(fā)現(xiàn)過熱器泄漏,為了生產(chǎn)連續(xù)運(yùn)行,車間將過熱器進(jìn)出口管線盲死,并將過熱器入口煙氣溫度由原來的700℃降為600℃左右,繼續(xù)運(yùn)行至2010年7月停車。

        焦化裝置的液化氣經(jīng)過硫磺裝置進(jìn)行脫硫、脫硫醇處理后,產(chǎn)生的脫硫醇尾氣進(jìn)入硫磺焚燒爐進(jìn)行焚燒處理,焚燒后的高溫?zé)煔饨?jīng)過余熱鍋爐回收能量后通過煙囪排出,其中硫醇的脫除處理主要是由堿液進(jìn)行吸收。余熱鍋爐的過熱器為管束式結(jié)構(gòu),管束規(guī)格 ?48 mm×4 mm,材質(zhì)SA213-TP347H,管程介質(zhì)為蒸汽,壓力 4.2 MPa,管程入口溫度255℃,出口溫度419℃;殼程直接接觸高溫?zé)煔?,煙氣的入口?cè)溫度700℃,出口側(cè)溫度480℃。

        查閱余熱鍋爐E-301出廠資料、質(zhì)量證明書、檢驗(yàn)報(bào)告等,發(fā)現(xiàn)余熱鍋爐彎頭部位冷加工后未做固溶處理。查閱ASME規(guī)范,而規(guī)范要求對(duì)SA213-TP347H材料冷彎彎頭應(yīng)加工后固溶處理,以便消除冷加工時(shí)產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力。

        1.2 檢驗(yàn)檢測(cè)

        (1)宏觀檢驗(yàn)

        宏觀檢驗(yàn)中,發(fā)現(xiàn)過熱器所處的煙道中積灰較重,下方的180°彎頭已埋在煙道積灰中,如圖1所示。宏觀檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)過熱器下部70個(gè)180°彎頭中有2個(gè)彎頭焊縫出現(xiàn)裂紋,裂紋沿著焊縫熱影響區(qū)附近;39個(gè)彎頭母材出現(xiàn)裂紋,裂紋位于180°彎頭外彎側(cè)中心線附近,裂紋長度幾乎跨越了整個(gè)背彎,并出現(xiàn)大的分叉。裂紋斷口呈脆性斷裂特征,無明顯的脹粗或鼓包,外表面裂紋較寬,裂紋由彎頭外表面向內(nèi)部擴(kuò)展,如圖2所示。

        圖1 過熱器下部積灰嚴(yán)重

        (2)壁厚測(cè)量

        對(duì)失效的過熱器彎頭和直管分別進(jìn)行壁厚測(cè)量,壁厚在3.8~4.6 mm,與原始壁厚比較無明顯減薄。

        (3)光譜檢測(cè)

        對(duì)彎頭和直管分別進(jìn)行材質(zhì)光譜檢測(cè),半定量分析結(jié)果:爐管材質(zhì)的 Cr,Ni,Mn,Nb 元素含量均在SA213-TP347H成分范圍內(nèi)。

        (4)金相檢驗(yàn)

        對(duì)彎頭部位進(jìn)行金相檢驗(yàn),發(fā)現(xiàn)彎頭母材的金相組織為奧氏體+形變馬氏體+碳化物,由金相組織可以看出彎頭未經(jīng)過固溶處理,有形變馬氏體和碳化物出現(xiàn),如圖3所示。開裂裂紋呈沿晶和穿晶開裂混合型,裂紋尖端出現(xiàn)樹枝狀分叉,具有明顯的應(yīng)力腐蝕開裂特征,如圖4所示。

        圖3 彎頭金相組織 200×

        圖4 裂紋尖端組織 200×

        (5)硬度檢驗(yàn)

        對(duì)彎頭進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)便攜式里氏硬度檢測(cè),換算后彎頭布氏硬度在150~170 HB;直管布氏硬度在110~130 HB,硬度值未見超標(biāo)。

        (6)爐灰垢樣化學(xué)成分分析

        對(duì)余熱鍋爐的爐灰進(jìn)行化學(xué)成分分析,發(fā)現(xiàn)爐灰中含有大量的Na2O和SO3成分,同時(shí)爐灰中含有一定量的Cl,其中Na主要是由脫硫醇?jí)A液攜帶進(jìn)來的,Cl主要是由焦化液化氣中含有的,成分分析見表1。

        表1 爐灰化學(xué)成分分析

        (7)斷口腐蝕產(chǎn)物分析

        從彎頭處截取含有裂紋的試樣,將裂紋打開,對(duì)斷口腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行能譜分析,可見斷口上覆蓋著一層均勻的黑色腐蝕產(chǎn)物,用掃描電鏡對(duì)腐蝕產(chǎn)物做能譜分析,發(fā)現(xiàn)富集 Cl-,S,Na,Ca等物質(zhì),其中兩組腐蝕產(chǎn)物成分見表2。

        表2 腐蝕產(chǎn)物的化學(xué)組成

        用電鏡觀察,斷口呈穿晶解理脆性斷裂,裂紋尖端二次裂紋呈沿晶腐蝕形貌,前者是Cl-應(yīng)力腐蝕的特征,后者為S形成的連多硫酸腐蝕裂紋特征。

        1.3 開裂原因分析

        (1)材料因素,本案例中的過熱器材質(zhì)為SA213-TP347H,屬奧氏體不銹鋼,具有良好的力學(xué)性能和工藝性能,耐均勻腐蝕性也很優(yōu)異,但它的一個(gè)嚴(yán)重缺點(diǎn)是應(yīng)力腐蝕敏感性很高,不少介質(zhì)都能引起破裂,其中以氯化物最為敏感。能夠引起奧氏體不銹鋼應(yīng)力腐蝕開裂的介質(zhì)包括:含氯化物溶液、高溫高壓水、連多硫酸溶液或者含硫化氫溶液、堿溶液等。

        (2)環(huán)璄因素,本案例中的過熱器管程介質(zhì)為蒸汽,殼程介質(zhì)為煙氣,爐灰成分分析結(jié)果顯示煙氣中含有大量的SO2,Na2O,少量的氯化物,均屬應(yīng)力腐蝕敏感介質(zhì);固溶狀態(tài)的奧氏體不銹鋼在僅含2 μg/g氯化物的水溶液中在200℃時(shí)就會(huì)產(chǎn)生破裂,敏化狀態(tài)的奧氏體不銹鋼在僅含100 μg/g氯化物的水溶液中在室溫下就會(huì)產(chǎn)生破裂;在實(shí)際使用條件下,誘發(fā)應(yīng)力腐蝕破裂的物質(zhì)濃度可能并未達(dá)到有害程度,但由于某些因素引起這些物質(zhì)的濃縮,結(jié)果促使應(yīng)力腐蝕破裂的發(fā)生[4],比如本案例中裝置開停車過程干濕交替導(dǎo)致的上述有害物質(zhì)的濃縮;此外,由于奧氏體不銹鋼存在450~850℃的敏化溫度范圍,對(duì)于大量在役的以奧氏體不銹鋼為材質(zhì)的過熱器而言,值得注意的一個(gè)重要問題是,奧氏體不銹鋼管在某一溫度區(qū)間所體現(xiàn)的負(fù)面影響,即其晶間腐蝕現(xiàn)象,通常發(fā)生較嚴(yán)重的晶間腐蝕溫度范圍在650~750℃之間,本案例中過熱器煙氣的入口側(cè)溫度700℃,出口側(cè)溫度480℃,處于敏化溫度范圍,其晶界上會(huì)形成貧Cr區(qū),加之制造過程發(fā)生敏化的部分在晶界上形成的貧Cr區(qū),如遇連多硫酸就會(huì)發(fā)生沿晶腐蝕開裂。

        (3)應(yīng)力因素,本案例中宏觀檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)的開裂部位處于過熱器彎頭,屬應(yīng)力集中區(qū)域。

        (4)裂紋形貌特征方面,奧氏體不銹鋼在氯化物溶液以及硫化氫溶液中的應(yīng)力腐蝕開裂多為穿晶型,在連多硫酸中的應(yīng)力腐蝕多為沿晶型[3],不同腐蝕介質(zhì)共同作用下也有混合型,本案例中金相檢驗(yàn)顯示開裂裂紋呈沿晶和穿晶開裂混合型,這是由于連多硫酸和氯化物的共同作用而致,與應(yīng)力腐蝕裂紋形貌特征吻合。

        綜上所述,初步分析過熱器彎頭開裂的原因?yàn)閼?yīng)力腐蝕開裂。彎頭在冷彎時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力,冷彎后未經(jīng)固溶處理,使彎頭部位處于較高的應(yīng)力水平,在2008年9月至2009年3月停車期間,彎頭表面殘留的爐灰吸收潮濕空氣中的水份,灰份中的硫化物、氯化物等形成酸性腐蝕環(huán)境,其中彎頭表面的硫化物與空氣和水相互作用生成連多硫酸。在連多硫酸和氯化物的共同作用下,過熱器彎頭表面出現(xiàn)應(yīng)力腐蝕裂紋,2009年11月份開車后,彎頭裂紋在管束內(nèi)壓的作用下,逐漸發(fā)生擴(kuò)展,最終導(dǎo)致開裂泄漏。

        2 預(yù)防與控制措施

        為避免腐蝕開裂的發(fā)生,建議從設(shè)備、工藝、檢修等方面采取相應(yīng)預(yù)防、控制措施。

        2.1 設(shè)備方面

        2.1.1 設(shè)計(jì)選材

        對(duì)于特定材質(zhì)的壓力容器,應(yīng)力腐蝕開裂往往只對(duì)某些介質(zhì)具有敏感性,避開這些敏化組合,就可有效防止應(yīng)力腐蝕開裂的發(fā)生。因此,結(jié)合其他裝置的過熱器材質(zhì)進(jìn)行綜合考慮,可將該過熱器管束的材質(zhì)由SA213-TP347H更換為12Cr1MoVG,12Cr1MoVG耐連多硫酸和氯離子應(yīng)力腐蝕開裂效果更好。

        2.1.2 制造

        新制造的TP347H材料的過熱器彎頭在冷加工后應(yīng)進(jìn)行固溶處理,消除因冷加工而產(chǎn)生的殘余應(yīng)力,防止應(yīng)力腐蝕和晶間腐蝕導(dǎo)致的彎頭開裂。

        2.2 工藝方面

        2.2.1 溫度控制

        溫度控制是影響腐蝕的主要因素。

        (1)過熱器管程出口溫度處于一定范圍,盡可能將出口溫度在工藝條件下控制在下限,減輕高溫硫腐蝕;

        (2)設(shè)備正常生產(chǎn)時(shí)由于溫度變化引起焊縫處應(yīng)力變化,與焊接應(yīng)力共同作用易催生應(yīng)力腐蝕裂紋和疲勞裂紋,因此,保持操作溫度的平穩(wěn)也是避免腐蝕開裂的有效工藝措施之一。

        2.2.2 操作控制

        嚴(yán)格按照工藝指標(biāo)進(jìn)行精心操作。做好儀表維護(hù),保證在線分析儀(H2S/SO2)的正常運(yùn)行,合理配風(fēng),提高硫轉(zhuǎn)化率,防止產(chǎn)生過多二氧化硫。

        2.3 停車檢修方面

        (1)余熱鍋爐停車期間,做好吹灰處理,同時(shí)對(duì)爐管表面進(jìn)行堿液中和清洗,如有可能應(yīng)進(jìn)行充氮?dú)獗Wo(hù),以避免管子表面水分的凝聚和腐蝕環(huán)境的形成[2]。

        (2)裝置停車時(shí),對(duì)過熱器彎頭及焊縫等應(yīng)力集中部位進(jìn)行表面滲透檢測(cè),早期發(fā)現(xiàn)應(yīng)力腐蝕裂紋并及時(shí)作出相應(yīng)處理,避免缺陷的進(jìn)一步發(fā)展并最終導(dǎo)致過熱器的失效。

        [1]李守臣.硫磺制酸系統(tǒng)余熱鍋爐二級(jí)過熱器管失效原因分析[J].中國腐蝕與防護(hù)學(xué)報(bào),1988,8(2):159-165.

        [2]胡方.化工設(shè)備中奧氏體不銹鋼的應(yīng)力腐蝕和防護(hù)[J].化工設(shè)備與管道,2002,6(3):51-54.

        [3]馬李洋.304不銹鋼在連多硫酸中的應(yīng)力腐蝕研究[J].壓力容器,2007,24(1):1 -3 .

        [4]強(qiáng)天鵬.壓力容器[M].北京:新華出版社,2008:181-182.

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