李軼卿,薛鑒鵬,張功超
(中國(guó)石油獨(dú)山子石化公司乙烯廠,新疆 獨(dú)山子 833699)
中國(guó)石油獨(dú)山子石化分公司乙烯廠橡膠聯(lián)合車間橡膠裝置SSBR生產(chǎn)線膠粒水管線自汽提釜用泵將膠粒水輸送至后處理初級(jí)脫水振動(dòng)篩。自2017年6月至2018年3月以來SSBR膠粒水線出現(xiàn)6次泄漏,嚴(yán)重影響生產(chǎn)線正常生產(chǎn)計(jì)劃。通過對(duì)該膠粒水管線泄漏段進(jìn)行化驗(yàn)分析,為評(píng)估該膠粒水管線運(yùn)行性能以及為更換膠粒水管線提供依據(jù)。
膠粒水管道運(yùn)行參數(shù):材質(zhì)304,介質(zhì)為膠粒水,膠粒水溫度 98~108℃,膠粒水壓力 0.6~0.7MPa,規(guī)格φ114×3mm。在日常工藝操作開停車程中膠粒水管道會(huì)出現(xiàn)壓力驟升以及膠粒水與低壓蒸汽交替流通的操作工況。
通過對(duì)膠粒水管道的現(xiàn)場(chǎng)腐蝕開裂情況觀察,管道的開裂部位出現(xiàn)在管線中間、焊縫附近或管托支撐區(qū)域附近,圖1是膠粒水管道的宏觀腐蝕形貌。分析圖1可知,膠粒水管道焊縫部位的管道表面有明顯的黃褐色腐蝕產(chǎn)物銹跡,布滿縱向腐蝕裂紋,局部裂紋寬度較大,且裂紋擴(kuò)展后相互交錯(cuò),導(dǎo)致在運(yùn)行過程中出現(xiàn)泄漏。
圖1 膠粒水管道宏觀腐蝕形貌
采用德國(guó)SPECTRO Lab. M11型固定式光譜儀對(duì)管道母材及焊縫部位成分進(jìn)行分析,結(jié)果如表1所示。分析表1可知,膠粒水管道的母材和焊縫成分均符合ASME SA-312中TP304牌號(hào)的元素含量要求。
丁苯橡膠裝置在生產(chǎn)工藝上為防止膠粒發(fā)生聚合反應(yīng),在汽提單元加入了含有CaCl2水溶液的分散劑,導(dǎo)致汽提后的膠粒水中含有腐蝕介質(zhì)氯離子,由于氯離子會(huì)誘發(fā)奧氏體不銹鋼發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂,因此,對(duì)氯離子進(jìn)行了分析監(jiān)測(cè),表2為裝置后處理單元1000線振動(dòng)篩、擠壓機(jī)部位膠粒水中氯離子的腐蝕監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。分析表2數(shù)據(jù)可知,膠粒水中確實(shí)存在氯離子,且氯離子含量較高,300系列的不銹鋼對(duì)氯離子都比較敏感,氯離子增加,開裂的可能性就會(huì)增加,而且氯化物應(yīng)力腐蝕開裂沒有最低氯離子濃度的限制,因?yàn)槁入x子會(huì)發(fā)生濃縮,因此氯離子的存在給該304材質(zhì)的膠粒水管道開裂提供了發(fā)生條件。
表1 膠液水管道成分分析(wt%)
表2 膠粒水中氯離子含量分析數(shù)據(jù)
在膠粒水管道的裂紋尖端部位沿厚度方向切取截面樣進(jìn)行分析,圖2為膠粒水管道裂紋尖端部位厚度截面金相圖。分析圖2可知,膠粒水管道的金相組織為奧氏體組織,裂紋走向呈典型的樹枝狀分布,貫穿整個(gè)厚度截面,且?guī)в忻黠@的應(yīng)力腐蝕開裂特征,裂紋形貌為穿晶開裂。
圖2 膠粒水管道厚度截面金相組織圖
對(duì)斷口部位的表面成分進(jìn)行了能譜分析,分析結(jié)果如圖3所示。分析圖3可知,該斷口表面成分主要以O(shè)、Si、Ti、Cr、Fe元素為主,還含有少量的腐蝕性元素,即Cl元素。
圖3 斷口表面能譜分析
綜合上述膠粒水管道的成分分析、腐蝕介質(zhì)分析、金相分析及能譜分析,膠粒水管道材質(zhì)為304奧氏體不銹鋼,其對(duì)應(yīng)力腐蝕開裂較為敏感,且膠粒水中含有大量的氯離子,大大增加了奧氏體不銹鋼發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂的可能性。此外,管道在冷加工過程中不可避免的存在冷變形應(yīng)力,在這些條件的影響下,膠粒水管道具備了出現(xiàn)應(yīng)力腐蝕開裂的可能性。在工藝運(yùn)行工況中易出現(xiàn)驟冷驟熱以及壓力驟升等工況,也會(huì)導(dǎo)致管線出現(xiàn)應(yīng)力腐蝕狀況。從金相分析可知,裂紋形貌為枝狀的穿晶裂紋,帶有明顯的應(yīng)力腐蝕開裂特征。裂紋斷口表面的能譜分析結(jié)果進(jìn)一步表明裂紋尖端含有腐蝕性元素氯元素,可見,膠粒水管道的腐蝕開裂為氯化物應(yīng)力腐蝕開裂。
(1)從腐蝕介質(zhì)的角度考慮,在不影響工藝生產(chǎn)的條件下將氯離子濃度降低到最小值,降低管道開裂的風(fēng)險(xiǎn)。
(2)采用超低碳不銹鋼,如304LN或者316L,降低敏化溫度區(qū)碳化物的析出量,提升材質(zhì)的耐蝕能力。
(3)在管道焊接過程中,應(yīng)考慮優(yōu)化焊接工藝,減少焊接過程中熱影響區(qū)敏化溫度段的停留時(shí)間,降低發(fā)生敏化的風(fēng)險(xiǎn),減少晶界缺陷,提高材料耐蝕能力。
(4)鎳含量較高的合金具有抵抗應(yīng)力腐蝕開裂的能力,可考慮在局部采用高鎳含量的合金管道。
(5)可考慮在金屬管道內(nèi)壁進(jìn)行粉末涂層處理,其耐溫耐壓,抗腐蝕能力較好。
(6)改善運(yùn)行工況,避免出現(xiàn)溫度驟升驟降及壓力驟升的情況。
(7)提高管線厚壁,從而延長(zhǎng)管線使用壽命。
(1)試用內(nèi)襯聚四氟乙烯使用情況:試用6個(gè)月,受熱材質(zhì)變軟,在物料沖刷的情況下內(nèi)襯涂層斷裂,試用失?。▓D4)。
圖4
(2)試用熱固熔涂料的情況:試用1年出現(xiàn)局部脫落情況,工藝產(chǎn)品不能接受輕微脫落,污染產(chǎn)品的情況,涂層試用失敗(圖5)。
圖5
(3)試用厚壁316材質(zhì)情況:2011年6月試用厚壁(6.5mm)的316L材質(zhì),直到2018年2月仍未出現(xiàn)裂紋缺陷,基本成功(圖6)。
由于工藝條件無法改變,采取使用厚壁為6.5mm的316L材質(zhì)的管材是有效的措施,使用該措施的優(yōu)點(diǎn)有降低由于泄漏導(dǎo)致人員燙傷的風(fēng)險(xiǎn);降低由于泄漏造成的環(huán)境污染;實(shí)現(xiàn)兩個(gè)生產(chǎn)周期無故障的完好狀態(tài),避免由于泄漏造成的停工。缺點(diǎn)有材料成本增加50%,安裝成本增加10%。
圖6
綜上所述,綜合考慮成本,包含環(huán)境成本和人員成本,采取使用厚壁為6.5mm的316L材質(zhì)的管材是最有效的措施。
[1]黃伯云主編.有色金屬材料手冊(cè)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2009.
[2]左景伊主編.常用腐蝕數(shù)據(jù)手冊(cè)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,1985.