張樂興,鄭民君,文偉,閆登峰,鄭寶軍,楊靜,陳茂林

(1.機械工業(yè)上海藍(lán)亞石化設(shè)備檢測所有限公司,上海 松江 201600;2.中國石油天然氣股份有限公司 塔里木油田分公司,新疆 庫爾勒 841001)

碳洗塔是煤化工氣化裝置的核心設(shè)備,主要是將來自氣化爐激冷室的工藝氣體經(jīng)塔底 水浴、碳洗塔塔盤洗滌冷卻,除去工藝氣體中夾帶的炭渣(固體顆粒),經(jīng)過塔頂除沫器進行氣液分離后,送至變換工段,進行后續(xù)反應(yīng)。

對某煤制乙二醇?xì)饣b置三臺碳洗塔進行首次定期檢驗[1],發(fā)現(xiàn)內(nèi)壁復(fù)合層大面積點蝕,進行滲透檢測,發(fā)現(xiàn)點蝕坑周圍大面積裂紋,呈蜘蛛網(wǎng)狀。針對上述失效情況,通過對復(fù)合層開裂部位裂紋的形態(tài)分析、化學(xué)成分分析,金相組織分析、碳洗塔工藝介質(zhì)組分、水浴水質(zhì)分析等檢測方法分析裂紋成因。提出針對性日常操作建議、返修復(fù)合層材料升級,其結(jié)果為同類、同工藝設(shè)備設(shè)計、運行條件提供參考。

1 碳洗塔參數(shù)

該碳洗塔為Ⅲ類壓力容器,設(shè)計工作基本參數(shù)見表1。

表1 碳洗塔基本參數(shù)

碳洗塔采用14Cr1MoR為主要受壓元件材料,復(fù)合層采用S31603。碳洗塔主體結(jié)構(gòu)簡圖見圖1。

注:圖中數(shù)字單位為mm。圖1 碳洗塔結(jié)構(gòu)簡圖

2 碳洗塔檢測項目及結(jié)果

2.1 宏觀檢查

對碳洗塔外壁進行宏觀檢查,未發(fā)現(xiàn)異常變形、泄露。碳洗塔內(nèi)壁復(fù)合層經(jīng)目視檢查發(fā)現(xiàn)第一、第二筒節(jié)大面積密集點蝕坑;第三筒節(jié)有部分分散點蝕坑,較第一、第二筒節(jié)減少。下部人孔面封槽處大面積點蝕坑[2],見圖2～4。

圖2 第一、第二筒節(jié)點蝕

圖3 第三筒節(jié)點蝕

2.2 滲透檢測

對碳洗塔內(nèi)壁復(fù)合層打磨后,依據(jù)NB/T 47013.5—2015《承壓設(shè)備無損檢測 第5部分:滲透檢測》進行檢測[3]。發(fā)現(xiàn)錐形封頭有分散點蝕坑,部分發(fā)展為微小裂紋;第一、第二筒節(jié)大面積裂紋,呈蜘蛛網(wǎng)狀;第三筒節(jié)有部分點蝕坑,裂紋較第一、第二筒節(jié)減少,分散分布;下部人孔密封槽有密集裂紋;第4筒節(jié)、第5筒節(jié)、球形封頭無裂紋,無點蝕。部分裂紋形貌見圖5。

2.3 化學(xué)成分分析

取碳洗塔內(nèi)壁第一、第二筒節(jié)復(fù)合層裂紋部位、完好部位,通過便攜式X射線熒光光譜分析,測定其化學(xué)成分,結(jié)果見表2。

表2 碳洗塔內(nèi)壁復(fù)合層化學(xué)成分質(zhì)量含量測定結(jié)果 單位:%

分析表2化學(xué)成分?jǐn)?shù)據(jù),碳洗塔內(nèi)壁復(fù)合層化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)與GB/T 24522—2017《承壓設(shè)備用不銹鋼和耐熱鋼鋼板的鋼帶》[4]的相關(guān)要求相符。

2.4 金相分析

取碳洗塔內(nèi)壁復(fù)合層第一筒節(jié)裂紋部位、完好部位,采用GB/T 17455—2008《無損檢測 表面檢測的金相復(fù)型技術(shù)》[5]進行金相組織分析,經(jīng)機械拋光、王水腐蝕現(xiàn)場覆膜取樣,組織結(jié)果見圖6～7。從圖6可見,無缺陷處組織正常,為奧氏體組織。從圖7可見,裂紋部位組織未見異常,為奧氏體,裂紋沿晶界開裂,有分支。裂紋形貌與300系列不銹鋼氯化物應(yīng)力腐蝕開裂相吻合。

圖6 完好部位金相組織(400×)

圖7 有裂紋部位金相組織(400×)

2.5 介質(zhì)組分分析和水質(zhì)分析

進一步分析碳洗塔內(nèi)壁復(fù)合層裂紋成因,對工藝氣組分、碳洗塔水浴水質(zhì)分析數(shù)據(jù)進行收集,工藝氣組分分析結(jié)果見表3,水質(zhì)分析結(jié)果見表4。

表3 工藝氣組分分析結(jié)果

表4 水質(zhì)分析結(jié)果

上述分析結(jié)果表明,碳洗塔水浴pH值偏低、呈弱酸性,水中氯離子、NH3-H超過控制指標(biāo)。在液面波動部位、積液部位容易發(fā)生氯離子局部聚集、濃縮,容易引起300系列不銹鋼氯離子點蝕和氯化物應(yīng)力腐蝕開裂[6]。

3 裂紋原因分析

上述檢驗結(jié)果表明,碳洗塔內(nèi)壁襯里層使用材料符合設(shè)計要求,未見材質(zhì)劣化。內(nèi)壁復(fù)合層在液面波動部位、積液部位存在大面積密集點蝕,蜘蛛網(wǎng)狀裂紋,表明存在氯離子點蝕和氯化物應(yīng)力腐蝕開裂。碳洗塔水浴水質(zhì)呈弱酸性,水中氯離子含量大于300 mg/L,超過控制指標(biāo)3倍以上,在此工作環(huán)境下,氯離子在液位波動部位、積液部位發(fā)生濃縮聚集,濃度升高,發(fā)生300系列不銹鋼氯離子點蝕和氯化物應(yīng)力腐蝕開裂。氯離子點蝕生成密集點蝕坑,點蝕坑處形成大陰極小陽極,發(fā)生電化學(xué)反應(yīng),腐蝕速率加快,使點蝕坑不斷擴大、連接成片,形成裂紋。

4 返修處理意見

采用電動砂輪機逐層打磨去除復(fù)合層上的裂紋、點蝕坑等缺陷,打磨過程中保證每次打磨厚度≤1 mm,打磨過程中監(jiān)測金屬溫度不宜超過200 ℃、注意監(jiān)測裂紋是否存在擴展現(xiàn)象,打磨要均勻圓滑,避免傷及母材,打磨利用砂輪機采用不銹鋼磨片(不含鐵離子)進行表面打磨處理,打磨至目視檢查無裂紋缺陷后進行100%滲透檢測,NB/T 47013.5—2015中Ⅰ級合格。

對于裂紋等缺陷深度不超過1 mm的,現(xiàn)場打磨去除圓滑過渡即可。對于裂紋等缺陷深度超過1 mm的,均進行表面堆焊修復(fù)處理,選用ENiCrMo-3(Inconel625)作為修復(fù)材料。焊接時須保證焊道熔合性,保證熔道質(zhì)量,為了減少熱裂紋,在保證熔透的前提下,盡量采用小的線能量、短電弧的操作方法。層間溫度須控制在150 ℃以下,層間檢查要仔細(xì)、清理要徹底,各層各道之間應(yīng)相互錯開。當(dāng)碳洗塔內(nèi)壁復(fù)合層裂紋等缺陷深度達(dá)到3 mm,即到14Cr1MoR母材表面堆焊時,則焊前按工藝要求進行預(yù)熱,焊后及時進行熱處理[7]。

5 結(jié)論與應(yīng)對措施

對碳洗塔內(nèi)壁復(fù)合層大面積點蝕、裂紋進行檢測,根據(jù)檢測結(jié)果分析裂紋產(chǎn)生的原因是碳洗塔水浴用水氯離子含量超標(biāo)、呈弱酸性,在液位波動部位、積液不易流動部位,存在氯離子局部聚集濃縮,發(fā)生300系列不銹鋼氯離子點蝕和氯化物應(yīng)力腐蝕開裂,復(fù)合層形成大面積蜘蛛網(wǎng)狀裂紋和點蝕坑。針對裂紋形成的原因,提出以下幾點應(yīng)對措施:

1)穩(wěn)定操作、良好的工藝條件是保證設(shè)備長周期安全穩(wěn)定運行的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。應(yīng)嚴(yán)格按照設(shè)計條件控制工藝參數(shù),控制碳洗塔水浴用水pH值、水中氯離子含量。加大碳洗塔新鮮水補給量,調(diào)節(jié)水浴用水pH值8～10,水中氯離子含量小于100 mg/L。

2)設(shè)計時進行材料升級,也可有效預(yù)防氯化物應(yīng)力腐蝕開裂?？紤]升級碳洗塔內(nèi)壁復(fù)合層材料為Inconel625或Inconel825,加大對氯化物應(yīng)力腐蝕抵抗能力。