高压甲铵冷凝器壳体焊缝缺陷原因分析及处理方法

魏 傲,刘秀廷

(海洋石油富岛有限公司,海南 东方,572633)

海洋石油富岛有限公司(以下简称富岛公司)化肥一期52万t/a尿素装置是国内第一套生产大颗粒尿素的装置,采用从意大利Snam公司引进的氨汽提法生产工艺,主要生产直径为2.0～4.0 mm的大颗粒尿素。在尿素装置中,高压甲铵冷凝器作为尿素装置的关键设备,其主要作用是为氨和二氧化碳的反应提供场所,同时利用反应中产生的热量为系统提供低压蒸汽。

经过20多年的使用,原始设备腐蚀严重,检修频繁,设备性能下降,因此在2014年对旧设备进行了更新改造。新设备按原设备外形尺寸制造,按照意大利Snam公司最新改进建议,将换热管材质升级为25Cr22Ni2Mo尿素专用不锈钢,固定管板为碳钢堆焊25.22.2。2020年进行首次定期检验,发现低压侧壳体焊缝存在缺陷,需对其进行处理以消除缺陷。

1 工艺流程概述

富岛公司化肥一期尿素装置目前使用的高压甲铵冷凝器(E105)由意大利Snam公司设计、意大利VILLA&BONALDI公司制造。工艺流程见图1。

图1 工艺流程注:1—尿素合成塔;2—甲铵分离器;3—高压甲铵冷凝器;4—汽提塔

来自汽提塔(E101)顶部的气体(主要是NH3、CO2)与中压系统返回的甲铵汇合,一并进入甲铵冷凝器上部管箱,然后流入U形管束上部列管内。在列管中,氨和二氧化碳反应生产甲铵,同时放出大量热量,热量被低压壳侧沸腾的水吸收,产生0.34 MPa(g)低压蒸汽,供系统使用。冷凝后的物料离开甲铵冷凝器管箱底部,进入甲铵分离器(V-101)进行液气分离。

2 设备结构简介

高压甲铵冷凝器是卧式釜型U形管式换热器,管程是高压系统,壳程是低压系统。设备由高压封头、管箱、U形管束及低压壳体等部件组成,各主要零部件规格及材质见表1。设备管侧出口管设计在管箱正下方,防止设备底部有不流动区域积液。低压侧固定管束的竖向和横向支撑板为304L不锈钢材质,U形管束采用Ni25Cr22Mo2不锈钢,其主要性能参数见表1。

表1 高压甲铵冷凝器E105主要性能参数

3 问题描述

富岛公司化肥一期尿素装置高压甲铵冷凝器(E105)于2014年底完成更新改造,拆除原有旧设备,将新设备投入使用,在2020年装置大修期间对该设备进行了检测。发现在低压侧与高压侧连接的环焊缝W6内表面出现明显腐蚀,超声波测厚结果表明:除了W6之外,另外两条环焊缝W61、W43也已经产生了2 mm左右的减薄(总壁厚15mm)。变径处纵焊缝W5表面也有明显的凹坑,但是焊缝尚有余高。该部位由两节长度为200mm的筒节组成,筒节内径为φ1 610 mm,设计要求的最小厚度为15 mm,其材料牌号为SA516Gr.70(与国产材料Q345R相当)。该部位的3条环焊缝及纵焊缝内表面均出现不同程度减薄腐蚀(见图2)。

图2 焊缝腐蚀情况

2020年中国特种设备检测研究院对其进行检验,E105的安全状况被评为3级,定检周期为2年。

4 原因分析

针对上述现象,对腐蚀的原因进行了探究,根据换热器常见的腐蚀原因逐一进行分析。

4.1 溶解氧腐蚀

这种腐蚀是由于碳钢与溶于水中的氧作用生成铁的氧化物所致。这类腐蚀往往不是均匀腐蚀。但是如果水质较硬,也有可能出现局部腐蚀。

针对此类情况,对2014年设备投用后的工艺参数指标(pH值、溶解氧含量以及电导)进行了分析,发现各个参数指标正常,不存在异常情况。同时,将数据反馈给供应商、专利商和制造厂,三方一致认为:工艺参数指标正常,可以排除溶解氧腐蚀。

4.2 电偶腐蚀

如果设备中的某些零部件用不同的金属材质制成,且相互连接置于水中,则由于不同材料的金属的电极电位不同,而形成电偶电池,这时所产生的腐蚀为电偶腐蚀。高压甲铵冷凝器壳体材料牌为SA516Gr.70,厚度为15 mm,不存在不同材料连接的情况,可以排除电偶腐蚀。

4.3 缝隙腐蚀

缝隙腐蚀是由于金属与覆盖物(金属或者非金属)之间形成特别小的缝隙,使得缝隙内的介质处于滞留状态,而且这种介质中存在危害性阴离子(Cl-),常见于换热器的法兰连接面、锈层和垢层下面等处。针对该情况,查阅了原始设备资料。

发现和旧设备相比,新设备在管束外侧新增了一圈护板,护板与壳体间的间隙为14 mm,该缝隙尺寸足够大,不具备形成缝隙腐蚀的条件。同时通过内部检查,发现环焊缝的腐蚀主要集中在焊缝上半部,没有填充液体的区域,下半部浸没在液体中的焊缝表面,腐蚀情况不明显,因此进一步证明:缝隙腐蚀不是导致焊缝缺陷的主要原因。

4.4 点腐蚀

点腐蚀是一种特殊的局部腐蚀,导致在金属表面出现小孔,严重时可使设备穿孔。点腐蚀主要发生在铝、钛、不锈钢等能自钝化的材料中,常见于不锈钢材料。

通过观察焊缝情况可知,焊缝主要缺陷是焊肉缺失,不是孔状腐蚀,因此可以排除点腐蚀。

4.5 应力腐蚀

金属在拉应力和腐蚀介质的联合作用下所引起的开裂称为应力腐蚀开裂。不锈钢、钛合金、铝合金及碳钢材料在通入含Cl-的气体介质,很容易产生应力腐蚀开裂。

高压甲铵冷凝器低压侧并不是完全充满液体,在液位以上的焊缝腐蚀情况明显,液位以下的焊缝基本无腐蚀。正是由于上部不能充满液体,且此处液体处于沸腾状态,沸腾作用使得上半部区域的焊缝区成为了干湿交替的部位,即使蒸汽冷凝液中的盐浓度很低,但是由于不断被浓缩,使得该部位盐度不断增加,如果设备制造过程中存在焊接应力,则焊缝部位的拉应力和高温会促使焊缝处出现开裂的现象。根据上述分析,设备结构和现场使用工况是具备产生应力腐蚀开裂条件的。但是对设备该处短节进行切割后,检查表面未发现裂纹,所以应力开裂也不是导致焊缝出现缺陷的主要原因。

4.6 磨损腐蚀

由于介质的运动速度大,或者介质与金属构件相对运动大,导致构件局部表面受到严重的腐蚀损坏,称为磨损腐蚀,主要分为湍流腐蚀和空泡腐蚀两种。

湍流腐蚀主要发生在设备的某些特定部位,由于流速的突然增大,在该处形成湍流,使得金属表面受到很大的扰动(切应力),从而引起腐蚀。此处为设备结构尺寸发生改变的区域,在该处确实会存在流速的变化,但是该设备结构设计为蒸汽冷凝液上进下出,且蒸汽冷凝液进出口均设置在壳程筒体上,进口靠近管箱侧,出口远离管箱侧,说明蒸汽冷凝液在轴向并不存在很大的流速,由此可以排除湍流腐蚀的影响。

空泡腐蚀又称为气蚀,是在流体与金属构件作相对运动时,在金属表面局部地区产生涡流,因而伴随有气泡在金属表面迅速生成和破灭,由此对金属表面产生冲击而导致的腐蚀。针对该情况,由于在该处流体处于沸腾状态,蒸汽冷凝液会形成气泡冲击焊缝表面,对金属表面产生冲击进而产生腐蚀现象,从设备结构和工艺条件上来分析,存在空泡腐蚀的可能性。此外,对比新老设备结构上的差异,老设计是法兰连接,直段筒节加上法兰高度,总长为355 mm,而新设计直边筒节加上管板焊缝凸台(30 mm)一共430 mm,新设备的直管段尺寸与老设备相比,增加了75 mm。管箱上部高温介质进入上部换热管,直边段越长,这个部位蒸汽产生得越多,首先向上部汇聚,尤其是新设计中增加了护板,蒸汽会从14 mm的间隙向左侧导流,相对于老设计,新设计这个部位的蒸汽量更大,增加导流板后,导流的间隙更小,气速就会显著增加,理论上空泡腐蚀的效应就会更强,故空泡腐蚀可能是导致焊缝缺陷出现的主要原因之一。

4.7 氢腐蚀

氢腐蚀是指钢在收到高温、高压作用后,其力学性能劣化,强度、韧性出现明显降低的不可逆转的损伤。高压甲铵冷凝器壳侧的操作温度为147 ℃,且介质为蒸汽冷凝液,不符合发生氢腐蚀的条件,因此排除该因素。

此外,还对新老设备材质及设备结构进行了分析对比,其材料牌号相同,均为SA516Gr.70,厚度为15 mm。但在W6、W61、W43所处的短节位置的确存在一些不同之处,具体情况对比见表2,新设备焊口形式见图3。

表2 焊缝情况对比

图3 新设备焊口形式

旧的高压甲铵冷凝器在W61和W43处采用的是X形坡口,运行了20多年没有出现过此类缺陷(见图4)。新设备在最后组对焊接之前,W61及W43两条焊缝完全具备条件用X形坡口进行双面焊接,以保证焊缝内表面的质量。对于新制造的设备厂家,选用了V形坡口进行焊接处理,但是焊接过程中质量控制不到位,导致存在埋藏缺陷,随着设备的使用,存在埋藏缺陷的焊缝被冲刷、腐蚀。

图4 旧设备焊口形式

5 处理方法

5.1 厂家提供的修复方案

通过联系设备专利商和设备制造厂家,双方最后给出的方案是:抽芯-打磨清根-重新焊接。首先将低压侧壳体和管箱之间的连接焊缝切割开来,然后制作专用工具对其进行抽芯,将高压侧封头连同管束一起与壳体拆除分离。抽芯过程中必须要做好对管束的保护。施工示意见图5。

图5 抽芯方案施工示意

综合考虑装置停车检修时间短、现场空间不足等情况,现场抽芯实施极为困难,而且设备已使用8年之久,管束必然会有变形量的存在,如果进行抽芯,除了工程量极为庞大之外,更大的风险在于由于管束的变形导致抽芯无法完成,进而损坏管束(此种情况在同类型装置的设备抽芯过程中出现过)。鉴于现场抽芯实施难度大、风险高,因此需要寻找其他方法来对缺陷进行修复。

5.2 最终修复方案

经过专业小组讨论,最后决定不进行抽芯,采用局部更换的方式进行修复:对焊缝内表面出现腐蚀的两节长度为200 mm的筒节进行更换,并且将材质升级为耐腐蚀性更好的304的不锈钢。新制作的筒节的规格为内径φ1 610 mm,筒节长度为500 mm(100 mm余量现场研配),厚度为16 mm,按对称的两片制作,纵、环缝加工出钝边1 mm,角度为30°的外坡口,环焊缝2道(B1、B2)、纵焊缝2道(A1、A2),筒节、焊缝、坡口示意见图6。

图6 筒节更换位置及尺寸示意

在低压壳体的外壁标记两条环向切割线和两条纵向切割线,参见图7标记位置,两条环向切割线位于管板与直筒节连接焊缝及直筒节与斜锥连接焊缝的中心位置。另外,在管板表面和锥体表面上、下、左、右四个部位做出标记点,测量并记录相关尺寸,确保筒节更换后高压管箱的方位不变。先采用碳弧气刨沿环向切割线逐层刨削,去除原焊肉,当剩余厚度约2 mm左右时,采用砂轮切割,断开剩余的焊肉,纵缝的两端(局部)可采用火焰切割。采用砂轮切割时,不得对低压壳体内的换热管造成损伤。切割前要对壳体采取固定措施,防止切下来的旧壳体突然坠落。

对坡口表面及边缘20 mm范围内着色检查,确认无缺陷后清除残留的显像剂。在管板的切口部位及保留的原壳体切口部位内壁安装厚度2 mm的衬垫板,用以保护管束在焊接过程中不会受到损伤,衬垫板与坡口根部点焊固定,焊接采用手工氩弧焊,所用焊丝牌号为ER309,规格为φ2.0 mm。分片组对新筒节,要求新筒节的两条纵焊缝位于设备的两侧,两条纵焊缝应与斜锥纵焊缝错开100 mm。先组对下部的一片筒节,点焊固定后在两条纵缝上安装衬垫板,再组对上部的一片筒节。组对后的坡口型式见图8。

图8 短节焊接坡口型式图

按焊接工艺规程对新焊缝进行焊接,采用手工氩弧焊打底2层,手工电弧焊填充4层。其中,环焊缝焊接焊丝牌号为ER309,焊条牌号为E309,纵焊缝焊接焊丝牌号为ER308,焊条牌号为E308。焊接完成后,进行无损检测:PT+UT+相控阵,检测结果合格。

最后按《固定式压力容器安全技术监察规程》有关规定对设备进行壳程耐压试验,试验用水氯离子含量小于2 mg/L,试验压力为设备壳程最高使用压力的1.25倍,耐压试验合格。

6 结语

根据上述分析,本次缺陷出现的主要原因锁定为两个方面:一是焊缝内表面存在原始制造缺陷,导致焊缝处耐腐蚀性能下降;二是与旧设备相比,新设备在壳程和管程交接处直筒段的长度尺寸增加,导致空泡腐蚀效应加剧,在两方面因素的共同影响下,焊缝缺陷迅速显露出来,并越来越严重。

金属腐蚀的危害是普遍且严重的,会直接影响到生产装置的生产周期和设备寿命。在换热器的使用中,不仅仅要关注高压侧使用情况,也要警惕低压侧出现的缺陷。另外,设备制造过程中焊接方式的选择和焊接质量的把控非常关键,如果在设备制造时期即存在埋藏缺陷,后期运行中再对缺陷进行处理往往更加困难,工作量及风险都将成倍增长。因此,不管是新设备制造还是现场维修,严把焊接质量关是保护设备使用安全的重要手段。本次维修采用氩弧焊打底、电焊盖面的方式进行。由于氩弧焊对焊接环境要求十分苛刻,所以焊前需严格清理焊接部位,打磨清根、清除水分、污垢,否则在焊接受热后,容易产生气孔缺陷,或者焊缝背面出现缺肉或者缩孔等缺陷,埋下运行隐患。

对于设备更新改造过程,如果涉及到设备尺寸变化或者增减部分构件的,应综合考虑该变化可能带来的后果,重新进行强度设计核算、腐蚀机理分析,而不是完全按照原始设计进行简单的制造加工,以避免设备投用后产生意料之外的故障。

遗留问题:本次改造采用不锈钢代替碳钢,与相邻焊接的碳钢形成异种钢焊接,当蒸汽品质出现波动时,后期可能会出现电偶腐蚀;另外,焊缝内侧带垫板,这个垫板是点焊的,如果上部空泡腐蚀是一个重要因素,蒸汽流存在对点焊的垫板形成冲蚀的可能。针对该问题,笔者会进一步跟进,待下一次检修期间再次对上述两处进行全面检查,必要时,优化维修方案后进行再次修复。