(中海石油煉化有限責(zé)任公司惠州煉化分公司煉油四部，廣東 惠州 516082)

1 設(shè)備概況

某煉油廠大型延遲焦化裝置單系列(一爐兩塔)的處理量為2.1 Mt/a，焦炭塔直徑9.8 m。高壓水除焦泵是裝置的關(guān)鍵設(shè)備，其作用是將焦炭從塔壁切割下來，其運(yùn)行是否平穩(wěn)直接關(guān)系到裝置的正常生產(chǎn)。

項(xiàng)目初期，國內(nèi)并無廠家生產(chǎn)如此大型的焦炭塔用高壓水除焦泵，因此采用進(jìn)口設(shè)備，其主要參數(shù)見表1。

表1 除焦泵主要參數(shù)

2 故障現(xiàn)象

該高壓水除焦泵是一臺(tái)符合API設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的BB5型十級(jí)離心泵，第一級(jí)葉輪位于入口側(cè)，第十級(jí)葉輪位于出口側(cè)。從投產(chǎn)后的第3年開始，兩年內(nèi)就發(fā)生了3次嚴(yán)重故障，直接原因均為第十級(jí)葉輪前蓋板開裂。

3 樣品檢測分析

3.1 材質(zhì)分析

葉輪設(shè)計(jì)材質(zhì)為ASTM A487 CA-6NM，實(shí)測材質(zhì)符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。實(shí)測布式硬度為269 HB。材質(zhì)化學(xué)分析結(jié)果見表2。

3.2 宏觀低倍檢測

葉輪均由前、后蓋板和5個(gè)流道(葉片)構(gòu)成，為閉式葉輪。損壞的葉輪中裂紋(斷口)主要位于前蓋板與葉片的交角處以及葉輪邊緣，其宏觀形貌如圖1所示。

表2 材質(zhì)化學(xué)分析結(jié)果 w,%

上述裂紋(斷口)可見“貝紋狀”的疲勞弧線，有多個(gè)裂紋源，葉輪斷裂性質(zhì)為多源疲勞斷裂，如圖2所示。另外，斷口表面可見點(diǎn)蝕，形態(tài)如圖3所示。

3.3 掃描電鏡分析

使用掃描電鏡對葉輪前蓋板斷口處進(jìn)行微觀分析，其掃描電鏡照片如圖4所示。

分析可知，裂紋起源于葉輪前蓋板的內(nèi)壁，有多個(gè)裂紋源；裂紋起源處有許多點(diǎn)蝕坑以及由點(diǎn)蝕所引出的腐蝕裂紋。在斷口的裂紋擴(kuò)展區(qū)，可見“輝紋線”垂直于裂紋擴(kuò)展方向，表明葉輪為疲勞斷裂。

圖1 斷口位置宏觀形貌

圖2 斷口處疲勞弧線

圖3 斷口表面點(diǎn)蝕

圖4 斷口裂紋擴(kuò)展區(qū)的掃描電鏡照片

3.4 腐蝕產(chǎn)物分析

從點(diǎn)蝕引起的裂紋邊緣取樣進(jìn)行能譜分析，其譜圖見圖5。結(jié)果表明：樣本除包含基本元素外，還含較高的Cl元素，經(jīng)測算，Cl的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到0.63%，說明Cl等腐蝕性物質(zhì)參與了腐蝕。

圖5 腐蝕產(chǎn)物能譜分析

3.5 葉輪的金相分析

金相分析發(fā)現(xiàn)，葉輪的金相組織主要為板條狀馬氏體，在開裂區(qū)域，板條狀馬氏體中出現(xiàn)了點(diǎn)狀腐蝕坑。裂紋從點(diǎn)蝕坑開始，并將若干個(gè)坑點(diǎn)連接在一起,如圖6所示。

4 失效原因分件

從上述樣品檢測結(jié)果分析可知，該除焦泵葉輪為氯化物應(yīng)力腐蝕開裂(Cl-SCC)導(dǎo)致的損壞。即葉輪在介質(zhì)中氯化物的作用下發(fā)生點(diǎn)蝕，且腐蝕坑點(diǎn)的密度較高，這種腐蝕導(dǎo)致葉輪蓋板和葉片連接處、葉輪邊緣等位置產(chǎn)生較大的應(yīng)力，同時(shí)，葉輪在周期性工作壓力的作用下，發(fā)生多源應(yīng)力腐蝕開裂。

葉輪發(fā)生氯化物應(yīng)力腐蝕開裂的幾個(gè)根本原因：

(1)研究表明，氯離子會(huì)引起不銹鋼坑蝕及Cl-SCC[1]，且最可能發(fā)生在金屬溫度高于65 ℃的情況下。該裝置除焦水溫度在60 ℃以上，另外由于高溫、焦粉含量高、散熱不佳及泵做功等因素，葉輪處形成了苛刻腐蝕環(huán)境，導(dǎo)致Cl-SCC發(fā)生。

圖6 金相分析照片

(2)原葉輪選用的材質(zhì)ASTM A487 CA-6NM抗腐蝕能力較差，尤其是在含氯環(huán)境中的抗腐蝕能力較低。在實(shí)際生產(chǎn)中，防護(hù)涂層損壞的葉輪及不含防護(hù)涂層的葉輪均在短時(shí)間內(nèi)發(fā)生了開裂。

(3)高壓水除焦泵并不是連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的機(jī)泵。實(shí)際生產(chǎn)中，每8 h會(huì)啟動(dòng)一次進(jìn)行除焦作業(yè)，每次除焦作業(yè)包含3次以上出口壓力的升降過程。由此可見，泵葉輪長期受到工作壓力周期性變化的作用。這種周期性壓力在高壓端最大，因此幾乎每次都是高壓端葉輪最先開裂。

5 防護(hù)措施

針對葉輪開裂的根本原因，采取以下措施提高葉輪的強(qiáng)度和抗腐蝕性能，防止葉輪損壞。

5.1 控制介質(zhì)中氯的含量

高壓水除焦泵介質(zhì)為切焦水，切焦水循環(huán)使用，正常損耗后補(bǔ)充新鮮水。開工以來，由于含氯較高的其他裝置廢水(凈化水)一直排入焦池中回用，經(jīng)過蒸發(fā)損耗，Cl-不斷濃縮，濃度越來越高。除焦水采樣數(shù)據(jù)顯示，其Cl-質(zhì)量分?jǐn)?shù)在50～70 μg/g，最高測出的Cl-質(zhì)量分?jǐn)?shù)已達(dá)到300 μg/g。表3是介質(zhì)溫度、氯離子濃度對應(yīng)力腐蝕敏感性的影響?？梢钥闯?，切焦水屬于高敏感性介質(zhì)。

因此停用其他裝置廢水繼續(xù)排入焦池，控制介質(zhì)中氯的含量。如有條件，可逐漸排出并置換除焦水，定期監(jiān)測除焦水Cl-含量、pH值及水溫等情況。

表3 介質(zhì)的Cl-SCC敏感性

5.2 提高葉輪材質(zhì)等級(jí)

雙相不銹鋼是指由鐵素體和奧氏體兩相組成的鋼材，兩相各約占50%。與普通奧氏體不銹鋼相比，雙相不銹鋼優(yōu)勢明顯：一是屈服強(qiáng)度比普通不銹鋼高，因此成型后有較高的強(qiáng)度；二是耐應(yīng)力腐蝕和疲勞腐蝕性能均優(yōu)于普通奧氏體不銹鋼，尤其是在含氯化物的環(huán)境中，耐應(yīng)力腐蝕的能力更為優(yōu)異[2]。

5.3 延長延遲焦化裝置生焦周期

在裝置處理量及焦炭塔空高允許的范圍內(nèi)，適當(dāng)延長生焦周期，減少高壓水除焦泵啟停次數(shù)，降低葉輪由于工作受到的周期性應(yīng)力。

6 結(jié) 語

采取以上防護(hù)措施后，換裝的一套雙相不銹鋼葉輪已經(jīng)持續(xù)使用了5 a，從根本上解決了高壓水除焦泵開裂的問題，保障了裝置安全平穩(wěn)長周期生產(chǎn)。