制氢装置酸性水汽提塔开裂分析

龚建华，胡 岗

(中国石化海南炼油化工有限公司，海南洋浦578101)

制氢装置酸性水汽提塔开裂分析

龚建华，胡 岗

(中国石化海南炼油化工有限公司，海南洋浦578101)

制氢装置酸性水汽提塔投用3年后装置停工大检修时发现塔壁出现多处裂纹，通过酸性水汽提塔取样件分析，母材化学成分满足标准对0Cr18Ni9的要求;试块塔内外壁渗透检测判断裂纹是从外壁向内壁扩展，局部已穿透，裂纹有明显分枝现象;微观形貌观察/EDS能谱分析裂纹从外壁起裂，垂直于壁厚方向向内壁扩展，金相观察裂纹均为穿晶树枝状扩展特征;保温材料中Cl－检测Cl－质量分数为0.005。综合分析为保温材料中的Cl－在保温层下浓缩，最终导致氯离子应力腐蚀现象的发生。因此，酸性水汽提塔外壁裂纹系奥氏体不锈钢保温层下氯离子应力腐蚀开裂导致。

裂纹 氯离子应力腐蚀 保温层

中国石化海南炼油化工有限公司制氢装置1101-C-101酸性水汽提塔为2005年安装，2006年8月投用。在2009年底装置停工大检修时发现塔壁出现多处裂纹。为了对开裂原因进行分析，对该塔壁板裂纹处进行料取样分析，以便找出塔壁开裂的失效机理，提高装置设备运行安全性。

1 塔壁开裂情况概述

制氢酸性水汽提塔1101-C-101主要参数:规格:φ1 500×19 608×10×8 mm;材质0Cr18Ni9;容积:22.9 m3;设计压力/工作压力:0.23 MPa/≦0.05 MPa;设计温度/工作温度:124℃/≦104℃;介质:酸性水(CO2水溶液)，外壁保温棉保温。2009年12月对该塔进行首次全面检验，经PT检测，在塔体外壁发现64处表面裂纹，裂纹主要分布在汽提塔下部H5环焊缝上，见汽提塔外壁展开图1，具体分布情况如下:

图1 汽提塔外壁展开Fig．1 The stripper tower external expansion

(1)H5环焊缝上有45处裂纹，H3上有2处裂纹，H1，H2和H4环焊缝上各有1处裂纹。裂纹最长35 mm。最深4.0 mm。.

(2)筒体与群座Q环焊缝上发现10处横向裂纹，裂纹最长20 mm，最深2.0 mm。

(3)距离人孔R1 350 mm处发现1处横向裂纹，裂纹长25 mm，深2.5 mm。

图2 环焊缝上裂纹Fig．2 The crack at ring the weld line

(4)距离Y1接管焊缝50 mm和60 mm的母材上发现 2处裂纹，裂纹最长 110 mm，最深6.0 mm。

(5)距离e1接管焊缝30 mm母材上发现1处裂纹，裂纹长70 mm，深5.0 mm。

2 化学成分分析

从试块上取母材进行化学成分分析，结果见表1。由表1可见，取样部位化学成分满足标准GB4237-1992《不锈钢热轧钢板》中对0Cr18Ni9的要求。

表1 酸性水汽提塔取样件母材化学成分Table 1 The chemical composition of parent material on the acid water stripper tower w，%

3 渗透检测

对塔内外壁取样的试块进行了渗透检测，发现裂纹缺陷见图3、图4所示。由图3、图4可见，外壁裂纹较长，而内壁较短，由此可以判断裂纹是从外壁向内壁扩展的，局部已穿透，裂纹近似环绕接管扩展，裂纹有明显分枝现象。

图3 汽提塔渗透检测外壁裂纹情况Fig．3 The outer wall cracking of penetrates testing in the stripper tower

4 微观形貌观察(EDS能谱分析)

从断口观察见图5，裂纹从外壁起裂，垂直于壁厚方向向内壁扩展，裂纹深度约为5-7 mm，局部已穿透。宏观断口观察断口表面呈现深褐色，覆盖有腐蚀产物，见图6。

图7给出了裂纹A的断口微观形貌，断口上存在解理的脆性断裂，有河流状、羽毛状花样，以及二次裂纹。

图4 汽提塔渗透检测内壁裂纹情况Fig．4 The inner wall cracking of penetrates testing in the stripper tower

图5 断口观察选取的裂纹Fig．5 Selecting the crack from the fracture

图6 裂纹断口观察的宏观形貌Fig．6 The macroscopic morphology ring the crackle fracture

表2给出了部分的微区EDS能谱分析结果，腐蚀产物中含有大量的Cl－。

5 金相观察

图7给出了酸性水汽提塔筒体裂纹部位金相照片。由图可见，不论是外壁表面，还是横截面方向上的裂纹均为穿晶树枝状扩展特征，母材金相组织为奥氏体组织和孪晶组织。

6 保温材料中Cl－检测

对从设备上拆下的保温棉进行检测，发现Cl－质量分数为0.005。

表2 图7标识部位的微区EDS能谱分析结果Table 2 The analysis result of energy spectrum in the micro zone EDS of the mark position on fig(7) w，%

图7 酸性水汽提塔裂纹金相照片Fig．7 The metallographic photos of the cracks in the acid water stripper tower

7 主要理化分析结果

(1)化学成分:取样母材试块化学成分满足标准GB4237-1992《不锈钢热轧钢板》对0Cr18Ni9的要求。

(2)断口观察:裂纹从外壁起裂，垂直于壁厚方向内壁扩展;断口呈现解理的脆性断裂，有河流状、羽毛状花样，以及二次裂纹。断口表面呈现深褐色，覆盖有腐蚀产物，腐蚀产物中含有Cl－。

(3)显微组织:取样母材试块显微组织为奥氏体组织加孪晶组织。

(4)裂纹特征:裂纹为树枝状，有主干有分枝，分支裂纹尖端比较尖锐。

8 结 论

酸性水汽提塔内径1 500 mm，塔高19 608 mm，其长径比为13:1，塔器顶部会产生静挠度。在海边风载情况下，由于受到拉、压、弯等多种力的作用，与塔体相连的接管法兰、塔底部环焊缝部位处于高的应力水平。同时设备保温棉中的Cl－质量分数为0.005，多年运行后保温材料中的Cl－很容易在保温层下浓缩，最终导致氯离子应力腐蚀现象的发生。由此可以得出，酸性水汽提塔外壁裂纹系奥氏体不锈钢保温层下氯离子应力腐蚀开裂导致的。

(编辑 王菁辉)

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。

龚建华，学士，高级工程师，1990年毕业于石油大学(华东)化工设备与机械专业，现在从事设备管理工作。E-mail:gongjh9119@126.com。