□ 文 / 圖 本刊記者 陶 炎

從2005年開始，揚子石化聯(lián)合南京工業(yè)大學(xué)等高校開展科研攻關(guān)，通過玻璃噴丸等技術(shù)的研究和應(yīng)用，預(yù)防焊接接頭應(yīng)力腐蝕開裂。

揚子石化乙二醇裝置不銹鋼設(shè)備。

1月8日，2018年度國家科學(xué)技術(shù)獎公布。其中，揚子石化與南京工業(yè)大學(xué)、常州大學(xué)等高校聯(lián)合開發(fā)的“特種表面沖擊強化抗應(yīng)力腐蝕與疲勞技術(shù)及應(yīng)用”獲得國家科技進步二等獎。

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

在防止應(yīng)力腐蝕開裂方法上另辟蹊徑

什么是應(yīng)力，什么是應(yīng)力腐蝕？設(shè)備專業(yè)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(yīng)力。而對于化工設(shè)備來說，當(dāng)材料被腐蝕再遇上應(yīng)力時，就有可能發(fā)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(shè)備副總工程師史永紅解釋說，應(yīng)力腐蝕是指設(shè)備材料在腐蝕介質(zhì)和一定的應(yīng)力共同作用下，產(chǎn)生的以裂紋為主要破壞形態(tài)的腐蝕。發(fā)生應(yīng)力腐蝕需同時滿足三個條件：一是材質(zhì)因素，其中奧氏體不銹鋼是發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂的高度敏感材料；二是環(huán)境因素，一定要有腐蝕介質(zhì)，包括酸、堿、氯離子等；三是一定要有應(yīng)力作用，這種應(yīng)力必須是拉應(yīng)力，而通常情況下，壓應(yīng)力不會產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕開裂，設(shè)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(yīng)力。三個條件必須同時存在，才能產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕。

升級設(shè)備材質(zhì)費用高昂，由于工藝技術(shù)的因素，腐蝕介質(zhì)很難避免，因此，減低或消除殘余拉應(yīng)力是防止發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂的常用方法。

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

聯(lián)合開展攻關(guān)開發(fā)新工藝

在揚子石化乙二醇裝置，環(huán)氧乙烷精制單元和乙二醇精制單元的壓力容器材質(zhì)均為奧氏體不銹鋼，其中包括7臺乙二醇蒸發(fā)器、兩臺環(huán)氧乙烷精制塔。此前，應(yīng)力腐蝕開裂在這些設(shè)備上經(jīng)常出現(xiàn)。

揚子石化烯烴廠設(shè)備管理科科長、原乙二醇車間設(shè)備副主任倪東原說，特別是在乙二醇蒸發(fā)器的下封頭環(huán)焊縫熱影響區(qū)，應(yīng)力腐蝕開裂集中產(chǎn)生。當(dāng)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(fā)器下封頭環(huán)焊縫熱影響區(qū)發(fā)現(xiàn)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?qū)⒃O(shè)備整臺更換。

為此，從2005年開始，揚子石化聯(lián)合南京工業(yè)大學(xué)等高校開展科研攻關(guān)。通過玻璃噴丸等技術(shù)的研究和應(yīng)用，來指導(dǎo)乙二醇不銹鋼蒸發(fā)器等不銹鋼設(shè)備制作和維修，預(yù)防焊接接頭應(yīng)力腐蝕開裂，延長設(shè)備壽命，保證設(shè)備安全運行。

針對上述問題，課題組開發(fā)了焊接接頭特種噴丸（玻璃噴丸、超聲波噴丸、激光噴丸）抗應(yīng)力腐蝕斷裂技術(shù)。該技術(shù)通過在焊接接頭表面產(chǎn)生納米晶粒及壓應(yīng)力層，從根本上解決了化工裝置應(yīng)力腐蝕開裂問題，并具有工藝簡單、高效、環(huán)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(yīng)用中的規(guī)律，指導(dǎo)噴丸新工藝的開發(fā)及優(yōu)化，解決化工設(shè)備抗應(yīng)力腐蝕難題。

目前，三種技術(shù)都在應(yīng)用，各有特色。玻璃噴丸技術(shù)效率高，操作方便，適合大面積處理，但是裝置現(xiàn)場無法使用，只能在設(shè)備制造廠家使用，主要應(yīng)用于新設(shè)備；超聲波噴丸綠色、高效、易操作，壓應(yīng)力層深，適合于裝置現(xiàn)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(jù)待處理設(shè)備的材料、處理要求選擇合適的噴丸工藝。

新技術(shù)應(yīng)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(shè)備均采用噴丸技術(shù)，在設(shè)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(fā)器等新設(shè)備采用的就是噴丸技術(shù)。其他裝置現(xiàn)場的老設(shè)備，采用的則是超聲波和激光技術(shù)。

史永紅說，采用新技術(shù)后，不銹鋼設(shè)備的抗應(yīng)力腐蝕性能得到很大提高，設(shè)備的安全性能大幅提升，設(shè)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(shè)備在制造階段均應(yīng)用了玻璃噴丸技術(shù)，至今這些設(shè)備未出現(xiàn)應(yīng)力腐蝕開裂；2012年對3臺乙二醇蒸發(fā)器（舊的在用設(shè)備）應(yīng)用超聲波噴丸技術(shù)，至今這3臺設(shè)備未再發(fā)生應(yīng)力腐蝕裂紋，設(shè)備使用壽命延長至今。

同時，還節(jié)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(fā)器為例，相對于升級材質(zhì)，通過采用噴丸技術(shù)，3臺設(shè)備僅制造費用就節(jié)省336萬元。

這種新技術(shù)還在揚子石化的PTA、醋酸等裝置的蒸發(fā)器、攪拌軸、換熱器等不銹鋼設(shè)備得到了應(yīng)用，保證了化工裝置的安全運行。

記者也從南京工業(yè)大學(xué)了解到，針對石化、化工、電力等不同領(lǐng)域關(guān)鍵裝備的抗應(yīng)力腐蝕和疲勞失效難題，科研人員歷經(jīng)10余年攻關(guān)和實踐，開發(fā)了系列的低成本、高效、可靠的抗應(yīng)力腐蝕和疲勞失效的表面處理技術(shù)。發(fā)明了基于玻璃、超聲、激光的三種表面沖擊強化抗應(yīng)力腐蝕和疲勞方法，構(gòu)建了沖擊工藝—微觀結(jié)構(gòu)—強化效果協(xié)同評價體系，實現(xiàn)了表面沖擊強化后構(gòu)件應(yīng)力腐蝕和疲勞壽命的科學(xué)預(yù)測。

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

技術(shù)人員在檢查揚子乙二醇設(shè)備的運行情況。