馬 馳，程亞川，何 萌，趙志君

(1.中石油克拉瑪依石化有限責(zé)任公司，新疆 克拉瑪依 834000；2.中國(guó)特種設(shè)備檢測(cè)研究院，北京 100020)

2015年大檢修期間，某石化公司對(duì)其液化石油氣脫硫裝置進(jìn)行了深度脫硫改造，為了防止堿液結(jié)晶造成管線(xiàn)堵塞，堿液管線(xiàn)(堿液線(xiàn))采用了蒸汽伴熱。堿液線(xiàn)在改造后的運(yùn)行過(guò)程中，共發(fā)生11處焊縫開(kāi)裂泄漏，嚴(yán)重影響了裝置安全生產(chǎn)。

1 堿液流程描述

1.1 堿液系統(tǒng)簡(jiǎn)介

液化石油氣脫硫工藝采用助溶法深度脫硫技術(shù)，其反應(yīng)方程式如下：

強(qiáng)堿(NaOH)與液化石油氣中的硫醇反應(yīng)生成硫醇鈉，硫醇鈉溶于堿液中，從液化石油氣中脫除硫醇硫；帶有硫醇的堿液在催化劑作用下通入空氣，使硫醇氧化為二硫化物從堿液中脫除，脫除了硫醇后的堿液可循環(huán)使用。系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，堿液質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制指標(biāo)為10%～15%，一般其質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為14%，根據(jù)堿液濃度分析對(duì)系統(tǒng)內(nèi)補(bǔ)充新堿。

1.2 堿液線(xiàn)腐蝕泄漏事例

改造投產(chǎn)后，堿液線(xiàn)共發(fā)生11處管線(xiàn)焊縫開(kāi)裂泄漏，其中10處開(kāi)裂管線(xiàn)的伴熱為蒸汽伴熱，且泄漏部位均為調(diào)節(jié)閥、流量計(jì)跨線(xiàn)或間歇使用的堿液線(xiàn)管件焊縫部位。典型故障事例統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1，泄漏部位形貌見(jiàn)圖1和圖2。

表1 堿液線(xiàn)焊接裂紋泄漏典型故障統(tǒng)計(jì)

2 腐蝕原因分析

選取有代表性的開(kāi)裂失效管道進(jìn)行失效分析。該開(kāi)裂彎頭位于貧堿液進(jìn)脫硫C202流量計(jì)的副線(xiàn)，發(fā)生開(kāi)裂失效的管道主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表2。

圖1 堿液進(jìn)流量計(jì)副線(xiàn)彎頭焊縫裂紋

圖2 堿液線(xiàn)彎頭焊縫泄漏部位包焊

表2 開(kāi)裂管道主要技術(shù)參數(shù)

2.1 宏觀檢查

(1)彎頭外徑測(cè)量值為60.2 mm，彎頭測(cè)厚未見(jiàn)明顯腐蝕減薄。裂紋位于彎頭環(huán)焊縫部位，其宏觀形貌見(jiàn)圖3。彎頭內(nèi)表面未見(jiàn)明顯腐蝕坑或腐蝕溝槽，見(jiàn)圖4。

(2)彎頭硬度測(cè)量值見(jiàn)表3。母材和焊縫處硬度均在正常范圍內(nèi)。

圖3 彎頭焊縫宏觀裂紋

圖4 彎頭內(nèi)表面形貌

表3 失效彎頭硬度測(cè)試數(shù)據(jù)

2.2 材質(zhì)分析

對(duì)彎頭的母材和焊縫分別進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果見(jiàn)表4。可以看出，彎頭的母材部位材質(zhì)化學(xué)成分符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。

表4 彎頭化學(xué)成分測(cè)試結(jié)果 w，%

2.3 金相分析

彎頭裂紋處表面金相組織如圖5所示。從圖5可以看出，其微觀組織中同時(shí)存在鐵素體、珠光體和貝氏體，并呈現(xiàn)一定的魏氏組織特征。裂紋以沿晶開(kāi)裂為主，有分支，具有典型的應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂特征。

2.4 掃描電鏡觀察分析

彎頭斷口掃描電鏡觀察形貌如圖6所示。從圖6可以看出，失效管件的斷口呈脆性斷裂，未見(jiàn)明顯韌窩。

圖5 裂紋處表面金相組織

圖6 斷口掃描電鏡觀察

對(duì)彎頭內(nèi)表面進(jìn)行掃描電鏡觀察并進(jìn)行能譜分析,可以看出，其內(nèi)表面存在氧化層,能譜分析結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 彎頭內(nèi)表面能譜分析結(jié)果

對(duì)斷口及其上腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行掃描電鏡觀察和分析，結(jié)果見(jiàn)圖7和表6。

圖7 斷口表面掃描電鏡觀察

表6 斷口處腐蝕產(chǎn)物能譜分析結(jié)果

從表5和表6可以看出，裂紋內(nèi)存在氧化物。根據(jù)損傷形態(tài)和斷口分析可以判斷，開(kāi)裂是由于堿應(yīng)力腐蝕造成的。

3 相關(guān)因素分析

3.1 碳含量

相關(guān)研究表明，堿液介質(zhì)管道的金屬中碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.01%～0.25%時(shí)易產(chǎn)生堿脆。該失效彎頭的材質(zhì)為20號(hào)鋼，經(jīng)材質(zhì)分析可知，彎頭母材碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.22%，處于堿脆的范圍之內(nèi)[1]。

3.2 堿液濃度和溫度

由于泄漏部位管線(xiàn)為副線(xiàn)或間歇使用的管線(xiàn)，不流動(dòng)部位的堿液在伴熱加熱后濃縮聚集，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)可達(dá)31%。不流動(dòng)部位管線(xiàn)經(jīng)蒸汽伴熱加熱后，其管線(xiàn)表面溫度為60～79 ℃。從實(shí)際統(tǒng)計(jì)的泄漏事例來(lái)看，NaOH的質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般為15%～48%，溫度為50～100 ℃時(shí)導(dǎo)致的泄漏次數(shù)最多，具有強(qiáng)的侵蝕性[2]。堿液管線(xiàn)不流動(dòng)部位的堿液質(zhì)量分?jǐn)?shù)和溫度，均在致裂敏感范圍，易導(dǎo)致焊縫堿應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂。例如,當(dāng)NaOH的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%時(shí)，開(kāi)裂溫度為70 ℃以上;當(dāng)NaOH的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%時(shí)，開(kāi)裂溫度為54 ℃以上[3-4]。

3.3 熱處理

管線(xiàn)經(jīng)過(guò)焊后熱處理，大檢修時(shí)測(cè)得硬度大約為140 HB。焊后熱處理的質(zhì)量對(duì)堿應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的影響很大，如果消應(yīng)力熱處理不到位，會(huì)增加管道對(duì)堿應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的敏感性。

4 改進(jìn)措施

4.1 降低堿液管線(xiàn)溫度

合理選擇管線(xiàn)伴熱方式，降低堿液線(xiàn)溫度，將管線(xiàn)溫度控制在46 ℃以下(堿液溫度大于46 ℃，隨著溫度的上升開(kāi)裂敏感性上升)，可大幅降低管線(xiàn)堿應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的風(fēng)險(xiǎn)。

4.2 控制堿液濃度

對(duì)間歇使用管線(xiàn)，增加置換流程，防止堿液在受熱后濃縮聚集。嚴(yán)格控制工藝操作，消除積液部位，控制堿液濃度在工藝指標(biāo)范圍內(nèi)。

4.3 控制焊接及焊后熱處理質(zhì)量

控制焊接質(zhì)量，可有效降低因夾渣、氣孔、咬邊及未熔合等缺陷造成的應(yīng)力集中，降低焊縫縫隙腐蝕及應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的可能性。保證消應(yīng)力熱處理的質(zhì)量，保持管道焊縫的開(kāi)裂敏感性在較低水平。

4.4 管線(xiàn)材質(zhì)升級(jí)

對(duì)易發(fā)生堿應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的管線(xiàn)進(jìn)行材質(zhì)升級(jí)，選用對(duì)堿應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂敏感性低的材料來(lái)代替20號(hào)鋼材料。

5 結(jié)束語(yǔ)

堿應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的主要影響因素為堿液濃度、溫度、殘余應(yīng)力和伴熱。當(dāng)堿質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過(guò)5%時(shí)開(kāi)裂就有可能發(fā)生，隨著堿液溫度的升高，開(kāi)裂敏感性增加。焊接或冷加工殘余應(yīng)力均可成為開(kāi)裂的應(yīng)力條件。從工藝管理和技術(shù)上采取了預(yù)防措施：合理選擇伴熱方式、降低管線(xiàn)溫度、控制堿液濃度及管線(xiàn)焊后熱處理消除應(yīng)力等，有效地解決了堿液線(xiàn)開(kāi)裂泄漏問(wèn)題，保障了裝置安全平穩(wěn)運(yùn)行。