環(huán)氧乙烷/乙二醇裝置再沸器泄漏原因分析及應(yīng)對措施

朱曉亮

（中國石油化工股份有限公司鎮(zhèn)海煉化分公司，浙江 寧波 315200）

某公司環(huán)氧乙烷/乙二醇裝置為1 Mt/a乙烯的配套裝置，采用乙烯氧化法生產(chǎn)環(huán)氧乙烷，并進(jìn)一步水合生產(chǎn)乙二醇。乙二醇水溶液經(jīng)過四效蒸發(fā)系統(tǒng)提濃和精制產(chǎn)出合格產(chǎn)品。在高溫高壓環(huán)境中，乙二醇會產(chǎn)生副反應(yīng)生成乙醛，乙醛易被氧化成乙酸而腐蝕設(shè)備［1］。該裝置一效蒸發(fā)器再沸器于2010年4月投用，2016年2月出現(xiàn)泄漏。再沸器為固定管板式結(jié)構(gòu)，規(guī)格為φ4 000 mm×12 423 mm×36 mm，質(zhì)量為149.58 t，管箱上部和下部分別為蝦米彎結(jié)構(gòu)和封頭結(jié)構(gòu)。蝦米彎材質(zhì)為S30408，管板材質(zhì)為16MnⅢ，其表面復(fù)合銅鎳合金。泄漏部位在蝦米彎與上管板連接焊縫的熔合線處，為S30408與16MnⅢ異種鋼焊接區(qū)域，缺陷長度120 mm。泄漏物質(zhì)為管程的乙二醇水溶液，管程操作壓力為1.0 MPa，溫度為185℃。為保證設(shè)備的安全運(yùn)行，臨時采取貼焊的方法進(jìn)行堵漏，并于2018年裝置大修時由原制造廠對設(shè)備進(jìn)行現(xiàn)場維修處理。

1 再沸器泄漏原因分析及現(xiàn)場處理

對再沸器泄漏部位進(jìn)行觀察及結(jié)構(gòu)分析（見圖1），泄漏部位位于管板復(fù)層與蝦米彎的密封焊縫處，該處出現(xiàn)裂紋后介質(zhì)從管程滲入到管板基層，對管板產(chǎn)生腐蝕，裂紋沿著焊縫逐漸擴(kuò)展，并延伸到管板外表面，進(jìn)而造成介質(zhì)泄漏［2-3］。

圖1 泄漏部位結(jié)構(gòu)示意

1.1 密封焊縫開裂的原因分析

對設(shè)備內(nèi)部的密封焊縫進(jìn)行滲透檢測，發(fā)現(xiàn)多處貫穿性裂紋缺陷（見圖2），其產(chǎn)生原因在于：

圖2 密封焊縫裂紋缺陷

（1）由于蝦米彎與上管板復(fù)合層采用ERNiCu-7焊材進(jìn)行焊接，對焊接技能要求較高，若焊接不當(dāng)易產(chǎn)生未熔合等焊接缺陷，即使采用滲透檢測也難以發(fā)現(xiàn)密封焊縫的內(nèi)部缺陷。

（2）由于蝦米彎與上管板的焊接屬于異種鋼焊接，兩種材質(zhì)的熱導(dǎo)率和膨脹系數(shù)相差較大，在高溫高壓工況下，使密封焊縫承受一定的拉應(yīng)力，且由于密封焊縫較窄，加上介質(zhì)的壓力作用，會使其內(nèi)部缺陷擴(kuò)大，造成焊縫開裂［4-5］。

1.2 熔合線開裂的原因分析

管板與蝦米彎熔合線開裂的原因分析：

（1）密封焊縫開裂后，工藝介質(zhì)進(jìn)入管板與蝦米彎的間隙，形成酸性的冷凝液，其pH值為5～6，酸性介質(zhì)腐蝕導(dǎo)致熔合線出現(xiàn)貫穿性裂紋。

（2）管板與蝦米彎的焊接屬于異種鋼焊接，存在較大的焊接應(yīng)力，加速熔合線開裂。

（3）異種鋼焊接時會出現(xiàn)碳遷移現(xiàn)象，分別在管板和蝦米彎表面形成脫碳層和增碳層。碳遷移會造成材料性能下降，可能引起熔合線開裂。

（4）在設(shè)備運(yùn)行過程中，由于材料熱導(dǎo)率和膨脹系數(shù)的差異，使熔合線承受一定的拉應(yīng)力，引起應(yīng)力腐蝕開裂。

1.3 現(xiàn)場泄漏部位及處理情況

為保證現(xiàn)階段設(shè)備的安全運(yùn)行，只能在裝置大修時消除缺陷，對泄漏部位的處理也極為謹(jǐn)慎?，F(xiàn)場泄漏部位及處理情況分別見圖3和圖4。根據(jù)現(xiàn)場泄漏情況進(jìn)行貼板補(bǔ)焊，貼板規(guī)格為300 mm×200 mm，厚度為10 mm，材質(zhì)為S30408。焊接前將貼板部位打磨干凈，先對漏點(diǎn)進(jìn)行捻縫處理，再進(jìn)行貼板焊接，焊接時嚴(yán)格控制線能量，避免因焊接不當(dāng)而引起其他部位開裂。

圖3 現(xiàn)場泄漏部位

圖4 泄漏部位處理情況

2 維修方法

裝置大修期間將再沸器交出維修，設(shè)備維修前先對焊縫進(jìn)行清理和拋光，并對貼焊部位進(jìn)行打磨，再進(jìn)行著色檢查，標(biāo)記所有缺陷的位置。著色檢查發(fā)現(xiàn)只有泄漏部位存在裂紋，而其余部位沒有裂紋。對泄漏部位采用碳弧氣刨去除100 mm焊縫后觀察發(fā)現(xiàn)有明顯貫穿性裂紋。對管板與蝦米彎連接焊縫的泄漏點(diǎn)進(jìn)行打磨，直至與母材齊平，采用超聲縱波雙晶斜探頭對其進(jìn)行檢測，檢查焊縫與管板基材之間的裂紋和未熔合等缺陷，檢查發(fā)現(xiàn)缺陷長達(dá)4.3 m（環(huán)焊縫總長為12.56 m），缺陷范圍較大。

維修的目的不僅在于修復(fù)設(shè)備，而且還要消除泄漏隱患。由于檢修時間只有25 d，時間緊，因此設(shè)備返廠維修難以實現(xiàn)，只能進(jìn)行現(xiàn)場維修，維修方案見圖5，具體過程如下：

圖5 維修方案示意

（1）將蝦米彎與管板連接焊縫刨去重焊，根據(jù)現(xiàn)場檢查情況確定返修焊縫的長度。

（2）如果返修焊縫長度超過2 m，就需要在蝦米彎上加裝剛性支撐環(huán)，目的在于防止蝦米彎與管板之間的大截面異種鋼焊接帶來較大的焊接變形，保障維修的效果。

（3）在上管板與蝦米彎連接焊縫處加裝L型密封貼條，其好處在于：一方面起到雙層密封作用；另一方面能釋放溫差應(yīng)力，緩解應(yīng)力集中，相當(dāng)于膨脹節(jié)的作用。當(dāng)換熱管與筒體內(nèi)壁之間的距離小于14 mm時，貼條安裝空間不足，應(yīng)在貼條上設(shè)置弓形槽，貼條連接處用方形蓋板覆蓋焊接，貼條內(nèi)部設(shè)置兩個檢漏孔，并用檢漏管引出到保溫層外，便于監(jiān)測貼條的開裂情況，其安裝示意見圖6。

圖6 L型密封貼條安裝示意

3 維修過程及質(zhì)量控制要求

3.1 焊縫缺陷的去除

首先去除缺陷位置所在的焊縫，然后再徹底去除缺陷。由于外部焊縫較厚，先用碳弧氣刨去除部分金屬，再用磨光機(jī)打磨去除氣刨后的硬化層。管板腐蝕區(qū)域靠近管程側(cè)的部位均需打磨拋光，尤其是管板腐蝕嚴(yán)重的區(qū)域，需要將管板復(fù)層也打磨去除。對打磨后的表面進(jìn)行滲透檢測，確認(rèn)沒有任何缺陷后方可進(jìn)行補(bǔ)焊。管板腐蝕區(qū)域處理前和處理后的狀態(tài)分別見圖7和圖8。

圖7 管板腐蝕區(qū)域處理前的狀態(tài)

圖8 管板腐蝕區(qū)域處理后的狀態(tài)

3.2 剛性支撐環(huán)的組裝

由于缺陷范圍較大，需要對剛性支撐環(huán)進(jìn)行組裝和點(diǎn)固焊。剛性支撐環(huán)材料選用Q345R，采用水刀下料、4拼現(xiàn)場組焊，拼焊坡口采用全焊透雙面結(jié)構(gòu)。剛性支撐環(huán)采用雙面間斷焊接，每隔100 mm焊100 mm，焊縫的焊腳高度不低于10 mm。

3.3 焊縫的修復(fù)

在整個環(huán)焊縫焊接過程中，采用履帶對坡口所在母材進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱溫度大于85℃，局部采用火焰加熱，確保母材預(yù)熱充分。先將管板損傷部位堆焊完成，并打磨平整，再將管板復(fù)層破損處打磨至與基層齊平。管板基層和過渡層采用氬弧焊打底焊接，按照NB/T 47013.5—2015標(biāo)準(zhǔn)對焊縫表面進(jìn)行滲透檢測，Ⅰ級為合格。采用手工電弧焊焊接覆蓋面，注意焊前預(yù)熱，采用小電流多道焊，并注意焊接順序，先焊側(cè)面，然后逐步縮小坡口截面面積。采用密封焊對管板復(fù)層與蝦米彎進(jìn)行焊接，其表面采用凹形的圓滑過渡方式。焊接后按照NB/T 47013.5—2015標(biāo)準(zhǔn)對焊縫表面進(jìn)行滲透檢測，Ⅰ級為合格。最后將外部焊縫打磨至與母材齊平，按照NB/T 47013.3—2015標(biāo)準(zhǔn)對焊縫表面進(jìn)行超聲檢測，重點(diǎn)檢查熔合線部位，Ⅱ級為合格。

3.4 L型密封貼條的安裝

L型密封貼條采用厚度為3 mm的C71500板材。通過合理布置使貼條接縫遠(yuǎn)離換熱管分布區(qū)域，方便焊接。貼條采用水刀下料，模具折彎成型，蓋板采用模具壓制成型。貼條和蓋板成型后應(yīng)進(jìn)行著色檢查，保證無缺陷。將成型后的貼條和蓋板加熱至770℃，保溫30 min，進(jìn)行消應(yīng)力熱處理。將貼條和蓋板拋光、清洗干凈，用清潔的薄膜包裹帶至現(xiàn)場。待管板與筒體的密封焊完成且滲透檢測合格之后，才能安裝貼條。

試裝貼條時，應(yīng)在距離換熱管較近處標(biāo)記位置線，并切割和打磨弓形槽。安裝貼條前，應(yīng)先鉆檢漏孔，其孔徑為6 mm，再組焊檢漏嘴，最后安裝檢漏管，其長度為150 mm。

安裝貼條時，務(wù)必使其與管板、筒體貼緊，點(diǎn)焊固定。采用氬弧焊分別對貼條與管板、貼條與筒體進(jìn)行焊接，共焊兩道，焊縫應(yīng)飽滿，在貼條連接處安裝蓋板，盡量使蓋板貼緊貼條，點(diǎn)焊固定。按照焊接貼條的方法焊接蓋板。按照NB/T 47013.5—2015標(biāo)準(zhǔn)對焊縫進(jìn)行滲透檢測，Ⅰ級為合格。往檢漏孔充氣0.05MPa，在所有貼條焊縫處采用肥皂水進(jìn)行檢查，焊縫檢查合格、無泄漏，如圖9所示。

圖9 L型密封貼條焊縫檢漏情況

4 結(jié) 論

（1）該再沸器維修后已運(yùn)行3 a，未發(fā)現(xiàn)泄漏，L型密封貼條使用效果良好，為同類型再沸器的泄漏處理提供了有效的解決方案。

（2）維修方案的編制應(yīng)充分考慮缺陷的范圍以及現(xiàn)場施工狀況，合理安排施工程序與進(jìn)度，避免因維修時間過長而影響裝置開工進(jìn)度。

（3）異種鋼焊接時，易發(fā)生碳遷移形成脫碳層和增碳層，從而導(dǎo)致設(shè)備泄漏，設(shè)計時應(yīng)盡可能避免異種鋼焊接。若必須采用異種鋼焊接，應(yīng)確保焊接質(zhì)量合格。

（4）同類型的再沸器維修前，一定要對密封焊縫進(jìn)行全面滲透檢測，確認(rèn)密封焊縫完好。若密封焊縫出現(xiàn)開裂，應(yīng)對管板與蝦米彎的熔合線部位進(jìn)行超聲檢測，發(fā)現(xiàn)缺陷及時處理。