循環(huán)氫壓縮機干氣密封系統(tǒng)接管腐蝕開裂原因分析

(中國石油天然氣股份有限公司蘭州石化分公司，甘肅 蘭州 730060)

隨著原油重質(zhì)化、劣質(zhì)化及環(huán)保法規(guī)的日益嚴格，特別是油品質(zhì)量標(biāo)準的升級，加氫裝置在煉油企業(yè)的作用越來越重要。然而，因加氫裝置大型化、原料油劣質(zhì)化及運行工況苛刻化，其腐蝕泄漏問題日益突出。循環(huán)氫壓縮機作為加氫裝置中的關(guān)鍵設(shè)備，其運行的安全可靠性對保障整個裝置的安全生產(chǎn)和經(jīng)濟效益有重要的意義。

隨著裝備水平的不斷提高，越來越多的企業(yè)選用高效、節(jié)能的離心式壓縮機作為加氫裝置的循環(huán)氫壓縮機，因此圍繞離心式壓縮機核心設(shè)備而布置的安全防護設(shè)施可謂是重中之重。同離心泵一樣，離心式壓縮機也需要對轉(zhuǎn)子進行密封，防止物料泄漏，干氣密封很好地解決了這一問題。在日常使用過程中，干氣密封的維護保養(yǎng)非常重要，一旦維護不到位或使用不當(dāng)將導(dǎo)致聯(lián)鎖停運，嚴重影響整個裝置的運行，造成不可估量的經(jīng)濟損失。該文針對離心式壓縮機在預(yù)硫化過程中出現(xiàn)的腐蝕開裂和泄漏問題進行了原因分析，并提出了相應(yīng)的處理措施。

1 干氣密封系統(tǒng)原理及控制

某煉油廠汽油加氫裝置循環(huán)氫壓縮機選用帶中間迷宮的串聯(lián)式干氣密封結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)示意見圖1。

1.1 干氣密封工作原理

干氣密封的工作原理如圖2所示。動環(huán)旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的黏性剪切力帶動被密封氣體(氫氣)進入螺旋槽內(nèi)，密封壩阻止氣體流動，于是氣體被壓縮，局部壓力升高，將密封面分開，形成氣膜。當(dāng)氣膜作用力形成的開啟力與由彈簧力和介質(zhì)作用力組成的閉合力達到平衡時，氣膜厚度基本保持不變，從而實現(xiàn)非接觸密封。

1—動環(huán)；2—靜環(huán)；3—傳動塊；4—O型密封圈；5—軸套；6—動環(huán)座；7—螺釘；8—公差帶；9—壓緊套；10—彈簧；11—墊片

1.2 干氣密封控制系統(tǒng)

該干氣密封控制系統(tǒng)由低壓缸密封控制系統(tǒng)、高壓缸密封控制系統(tǒng)及增壓系統(tǒng)三部分組成(見圖3)。循環(huán)氫壓縮機所有控制系統(tǒng)的連接管線(接管)材質(zhì)均為0Cr18Ni9(304不銹鋼)。

圖2 干氣密封的工作原理

圖3 循環(huán)氫壓縮機的干氣密封控制系統(tǒng)

2 預(yù)硫化過程及接管開裂情況

加氫裝置在檢修后首次開工時，需要對再生后的氧化態(tài)催化劑進行預(yù)硫化以便恢復(fù)催化劑的硫化態(tài)活性。一般采用的硫化劑為二甲基二硫醚(DMDS)，在氫氣(H2)作用下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生大量硫化氫(H2S)氣體。

富含硫化氫的循環(huán)氫經(jīng)過壓縮機的推動，在反應(yīng)器內(nèi)與氧化態(tài)催化劑反應(yīng)，使之活化為硫化態(tài)，并生成富含硫化氫的水。一般在硫化過程中需維持反應(yīng)器入口硫化氫體積分數(shù)為0.5%～1.0%。由于壓縮機的一級密封氣為工藝氣，也就是循環(huán)氫，在該加氫裝置檢修完成進行硫化時，干氣密封控制系統(tǒng)連接管線發(fā)生腐蝕開裂(見圖4)，裝置預(yù)硫化被迫中止。

圖4 管線開裂泄漏的部位

3 開裂原因分析

3.1 開裂部位及形態(tài)

由圖4可以看出，開裂發(fā)生在干氣密封控制系統(tǒng)不銹鋼接管的焊縫區(qū)域，經(jīng)著色檢查，發(fā)現(xiàn)焊口開裂。

3.2 介質(zhì)分析

預(yù)硫化階段測得的循環(huán)氫中硫化氫含量見表1。預(yù)硫化過程循環(huán)氫中其他雜質(zhì)氣體分析結(jié)果見表2。

表1數(shù)據(jù)為使用純凈氫氣做一級密封氣測得。由表1可見，整個預(yù)硫化期間，循環(huán)氫中硫化氫含量遠大于一般硫化過程中對硫化氫含量的要求。

表1 預(yù)硫化階段循環(huán)氫中硫化氫含量

表2 硫化過程循環(huán)氫組分分析 mL/m3

從表2可以看出，硫化過程中，循環(huán)氫里還含有少量一氧化碳、二氧化碳及微量氯化氫。

3.3 開裂原因分析

(1)該裝置在初次硫化時，含有高濃度硫化氫的循環(huán)氫被引入到干氣密封的控制系統(tǒng)連接管線里。接管內(nèi)部介質(zhì)為富含硫化氫的氫氣，溫度約50 ℃，而預(yù)硫化過程中，氧化態(tài)催化劑反應(yīng)活化為硫化態(tài)，會生成富含硫化氫的水，形成典型的濕硫化氫腐蝕環(huán)境。由于水的存在，也會在一定程度上造成系統(tǒng)微量氯離子的富集和濃縮。這是接管開裂的環(huán)境因素。

(2)接管材質(zhì)為普通304不銹鋼，宏觀觀察和著色探傷表明，該接管開裂附近有多道焊縫，焊縫表面粗糙，由于現(xiàn)場缺乏加熱手段，沒有進行焊后固溶熱處理，這就導(dǎo)致不銹鋼焊縫附近組織處于敏化狀態(tài)，晶界耐蝕性降低，且焊后接管殘余應(yīng)力較高。同時由于面臨開工預(yù)硫化，現(xiàn)場不能截取試樣做詳細檢查，也不能排除材料缺陷及焊接缺陷導(dǎo)致的開裂。這是接管開裂的材質(zhì)因素。

(3)正常工況下，304不銹鋼在濕硫化氫環(huán)境中耐蝕性良好，不容易發(fā)生腐蝕，然而當(dāng)碳質(zhì)量分數(shù)超過0.03%的非穩(wěn)定化奧氏體型不銹鋼受到敏化溫度的影響時，碳化物在晶界析出(敏化)，就會造成鄰近晶界的區(qū)域貧鉻，使其耐蝕性大幅降低，成為腐蝕開裂的重要誘因。在裝置預(yù)硫化時，循環(huán)氫里硫化氫嚴重超標(biāo)，并含有較多的水分及氯化氫等雜質(zhì)，介質(zhì)腐蝕性增強，在焊接殘余應(yīng)力和工作應(yīng)力的雙重作用下，最終導(dǎo)致304不銹鋼接管焊縫區(qū)域腐蝕開裂。

4 結(jié)論及建議

(1)焊接導(dǎo)致304不銹鋼敏化，晶界耐蝕性降低，殘余應(yīng)力增加，這是接管焊縫開裂的材質(zhì)因素。

(2)在裝置預(yù)硫化時，循環(huán)氫里硫化氫嚴重超標(biāo)，并含有較多的水分及雜質(zhì)，介質(zhì)腐蝕性增強，這是接管開裂的環(huán)境因素。

(3)建議升級干氣密封系統(tǒng)的管線材質(zhì)，由現(xiàn)在的0Cr18Ni9(S30408)升級為超低碳不銹鋼(S30403)或穩(wěn)定化不銹鋼材質(zhì)，避免和減輕焊接過程導(dǎo)致的敏化。

(4)在加氫裝置硫化過程中，建議嚴格控制系統(tǒng)循環(huán)氫中硫化氫體積分數(shù),不應(yīng)大于2.0%。

(5)硫化過程中，干氣密封系統(tǒng)的一級密封氣應(yīng)使用純度(體積分數(shù))大于85%的新氫；硫化結(jié)束后，在正常生產(chǎn)階段，可將循環(huán)氫切換為一級密封氣，但應(yīng)嚴格控制其硫化氫體積分數(shù)不大于50 μL/L。