制氫裝置酸性水汽提塔開裂分析

龔建華，胡 崗

(中國石化海南煉油化工有限公司，海南洋浦578101)

制氫裝置酸性水汽提塔開裂分析

龔建華，胡 崗

(中國石化海南煉油化工有限公司，海南洋浦578101)

制氫裝置酸性水汽提塔投用3年后裝置停工大檢修時(shí)發(fā)現(xiàn)塔壁出現(xiàn)多處裂紋，通過酸性水汽提塔取樣件分析，母材化學(xué)成分滿足標(biāo)準(zhǔn)對(duì)0Cr18Ni9的要求;試塊塔內(nèi)外壁滲透檢測判斷裂紋是從外壁向內(nèi)壁擴(kuò)展，局部已穿透，裂紋有明顯分枝現(xiàn)象;微觀形貌觀察/EDS能譜分析裂紋從外壁起裂，垂直于壁厚方向向內(nèi)壁擴(kuò)展，金相觀察裂紋均為穿晶樹枝狀擴(kuò)展特征;保溫材料中Cl－檢測Cl－質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.005。綜合分析為保溫材料中的Cl－在保溫層下濃縮，最終導(dǎo)致氯離子應(yīng)力腐蝕現(xiàn)象的發(fā)生。因此，酸性水汽提塔外壁裂紋系奧氏體不銹鋼保溫層下氯離子應(yīng)力腐蝕開裂導(dǎo)致。

裂紋 氯離子應(yīng)力腐蝕 保溫層

中國石化海南煉油化工有限公司制氫裝置1101-C-101酸性水汽提塔為2005年安裝，2006年8月投用。在2009年底裝置停工大檢修時(shí)發(fā)現(xiàn)塔壁出現(xiàn)多處裂紋。為了對(duì)開裂原因進(jìn)行分析，對(duì)該塔壁板裂紋處進(jìn)行料取樣分析，以便找出塔壁開裂的失效機(jī)理，提高裝置設(shè)備運(yùn)行安全性。

1 塔壁開裂情況概述

制氫酸性水汽提塔1101-C-101主要參數(shù):規(guī)格:φ1 500×19 608×10×8 mm;材質(zhì)0Cr18Ni9;容積:22.9 m3;設(shè)計(jì)壓力/工作壓力:0.23 MPa/≦0.05 MPa;設(shè)計(jì)溫度/工作溫度:124℃/≦104℃;介質(zhì):酸性水(CO2水溶液)，外壁保溫棉保溫。2009年12月對(duì)該塔進(jìn)行首次全面檢驗(yàn)，經(jīng)PT檢測，在塔體外壁發(fā)現(xiàn)64處表面裂紋，裂紋主要分布在汽提塔下部H5環(huán)焊縫上，見汽提塔外壁展開圖1，具體分布情況如下:

圖1 汽提塔外壁展開Fig．1 The stripper tower external expansion

(1)H5環(huán)焊縫上有45處裂紋，H3上有2處裂紋，H1，H2和H4環(huán)焊縫上各有1處裂紋。裂紋最長35 mm。最深4.0 mm。.

(2)筒體與群座Q環(huán)焊縫上發(fā)現(xiàn)10處橫向裂紋，裂紋最長20 mm，最深2.0 mm。

(3)距離人孔R(shí)1 350 mm處發(fā)現(xiàn)1處橫向裂紋，裂紋長25 mm，深2.5 mm。

圖2 環(huán)焊縫上裂紋Fig．2 The crack at ring the weld line

(4)距離Y1接管焊縫50 mm和60 mm的母材上發(fā)現(xiàn) 2處裂紋，裂紋最長 110 mm，最深6.0 mm。

(5)距離e1接管焊縫30 mm母材上發(fā)現(xiàn)1處裂紋，裂紋長70 mm，深5.0 mm。

2 化學(xué)成分分析

從試塊上取母材進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果見表1。由表1可見，取樣部位化學(xué)成分滿足標(biāo)準(zhǔn)GB4237-1992《不銹鋼熱軋鋼板》中對(duì)0Cr18Ni9的要求。

表1 酸性水汽提塔取樣件母材化學(xué)成分Table 1 The chemical composition of parent material on the acid water stripper tower w，%

3 滲透檢測

對(duì)塔內(nèi)外壁取樣的試塊進(jìn)行了滲透檢測，發(fā)現(xiàn)裂紋缺陷見圖3、圖4所示。由圖3、圖4可見，外壁裂紋較長，而內(nèi)壁較短，由此可以判斷裂紋是從外壁向內(nèi)壁擴(kuò)展的，局部已穿透，裂紋近似環(huán)繞接管擴(kuò)展，裂紋有明顯分枝現(xiàn)象。

圖3 汽提塔滲透檢測外壁裂紋情況Fig．3 The outer wall cracking of penetrates testing in the stripper tower

4 微觀形貌觀察(EDS能譜分析)

從斷口觀察見圖5，裂紋從外壁起裂，垂直于壁厚方向向內(nèi)壁擴(kuò)展，裂紋深度約為5-7 mm，局部已穿透。宏觀斷口觀察斷口表面呈現(xiàn)深褐色，覆蓋有腐蝕產(chǎn)物，見圖6。

圖7給出了裂紋A的斷口微觀形貌，斷口上存在解理的脆性斷裂，有河流狀、羽毛狀花樣，以及二次裂紋。

圖4 汽提塔滲透檢測內(nèi)壁裂紋情況Fig．4 The inner wall cracking of penetrates testing in the stripper tower

圖5 斷口觀察選取的裂紋Fig．5 Selecting the crack from the fracture

圖6 裂紋斷口觀察的宏觀形貌Fig．6 The macroscopic morphology ring the crackle fracture

表2給出了部分的微區(qū)EDS能譜分析結(jié)果，腐蝕產(chǎn)物中含有大量的Cl－。

5 金相觀察

圖7給出了酸性水汽提塔筒體裂紋部位金相照片。由圖可見，不論是外壁表面，還是橫截面方向上的裂紋均為穿晶樹枝狀擴(kuò)展特征，母材金相組織為奧氏體組織和孿晶組織。

6 保溫材料中Cl－檢測

對(duì)從設(shè)備上拆下的保溫棉進(jìn)行檢測，發(fā)現(xiàn)Cl－質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.005。

表2 圖7標(biāo)識(shí)部位的微區(qū)EDS能譜分析結(jié)果Table 2 The analysis result of energy spectrum in the micro zone EDS of the mark position on fig(7) w，%

圖7 酸性水汽提塔裂紋金相照片F(xiàn)ig．7 The metallographic photos of the cracks in the acid water stripper tower

7 主要理化分析結(jié)果

(1)化學(xué)成分:取樣母材試塊化學(xué)成分滿足標(biāo)準(zhǔn)GB4237-1992《不銹鋼熱軋鋼板》對(duì)0Cr18Ni9的要求。

(2)斷口觀察:裂紋從外壁起裂，垂直于壁厚方向內(nèi)壁擴(kuò)展;斷口呈現(xiàn)解理的脆性斷裂，有河流狀、羽毛狀花樣，以及二次裂紋。斷口表面呈現(xiàn)深褐色，覆蓋有腐蝕產(chǎn)物，腐蝕產(chǎn)物中含有Cl－。

(3)顯微組織:取樣母材試塊顯微組織為奧氏體組織加孿晶組織。

(4)裂紋特征:裂紋為樹枝狀，有主干有分枝，分支裂紋尖端比較尖銳。

8 結(jié) 論

酸性水汽提塔內(nèi)徑1 500 mm，塔高19 608 mm，其長徑比為13:1，塔器頂部會(huì)產(chǎn)生靜撓度。在海邊風(fēng)載情況下，由于受到拉、壓、彎等多種力的作用，與塔體相連的接管法蘭、塔底部環(huán)焊縫部位處于高的應(yīng)力水平。同時(shí)設(shè)備保溫棉中的Cl－質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.005，多年運(yùn)行后保溫材料中的Cl－很容易在保溫層下濃縮，最終導(dǎo)致氯離子應(yīng)力腐蝕現(xiàn)象的發(fā)生。由此可以得出，酸性水汽提塔外壁裂紋系奧氏體不銹鋼保溫層下氯離子應(yīng)力腐蝕開裂導(dǎo)致的。

(編輯 王菁輝)

Abstract:Cracks were found on the tower shell in the scheduled overhaul of stripping tower of hydrogen generation plant after 3 years’operation．To locate the root causes of cracking，the base metal of stripping tower was sampled and analyzed，and whose chemical compositions were found to meet the specifications for 0Cr18Ni9 steel．The testing of both internal and external walls concluded that the cracks propagated from external wall to the internal wall．Some cracks penetrated the shell and some had branch cracks．The micro morphology/EDS analysis found that the cracks developed from external wall and propagated vertically to the internal wall in the direction of wall thickness．The metallographic analysis found the cracks had transgranular characteristics．The mass concentration of Cl－in insulation material was tested and found to be 0．005．As the Cl－concentrated in the insulation layer，the Cl－stress corrosion finally occurred．Therefore，the cracks on the external wall of sour water stripping tower were caused by Cl－stress corrosion cracking under the insulation of austenitic steel．

Keywords:cracks，Cl－stress corrosion cracking，insulation layer

Study on Causes of Cracking of Sour Water Stripping Tower for Hydrogen Generation Plant

Gong Jianhua，Hu Gang
(SINOPEC Hainan Refining＆Chemical Co．，Ltd．，Yangpu，Hainan 578101)

TE966

A

1007－015X(2012)05－0013－04

2012－05－16;修改稿收到日期:2012－06－25。

龔建華，學(xué)士，高級(jí)工程師，1990年畢業(yè)于石油大學(xué)(華東)化工設(shè)備與機(jī)械專業(yè)，現(xiàn)在從事設(shè)備管理工作。E-mail:gongjh9119@126.com。