丙烯-氨分布器断裂原因分析及对策

葛 晶

(中国石油大庆石化公司化工二厂，黑龙江 大庆 163714)

某石化公司化工厂丙烯腈装置于1988 年建成投产，反应器(R-101)是丙烯腈装置的核心设备。该设备是从日本新泻铁工所购进成型材料和制造安装技术，现场组装完成的。反应器为立式流体床，内置32 组U 型垂直冷却管;顶部设集气室，并有8 组旋风分离器。在反应器下部，装有丙烯氨分布器和空气分布板，空气分布板的993 个小孔与丙烯-氨分布器(以下简称丙烯氨分布器)的993 个小支管一一对应。反应器上部为圆形封头，下部为锥体，直径7.47 m，高度28.67 m。反应器的工艺过程为丙烯、氨的混合气体由丙烯氨分布器小支管向下吹出，与空气分布板向上吹出的空气和催化剂作用，生成丙烯腈气体。

1 丙烯氨分布器的介绍

1.1 丙烯氨分布器的工况

介质:丙烯、氨;温度:455 ℃;压力:0.148 MPa;丙烯氨分布器分3 种规格，1988 年7 月投入使用，1995 年丙烯氨分布器上分布管角焊缝出现开裂，1997 年部分分布管脱落。2001 年大检修过程中，对反应器丙烯氨分布器上的分布管进行了材质变更，将20 号钢换成15CrMo。在2005 年、2006 年的停车检查中，又发现有分布管脱落。初步判断脱落是由于材质表面发生氮化，材料变脆引起的。2007 年7 月的大检修过程中将15CrMo材质的分布管换成20 号钢材质的分布管。

1.2 丙烯氨分布器的结构特点和腐蚀情况

丙烯氨分布器为水平排列，其中，管子尺寸φ216.3 mm×8.2 mm 的支管2 根，沿东西方向分布;管子尺寸φ89.1 mm ×7.6 mm 的支管36 根，沿南北方向分布，与φ216.3 mm 的支管垂直组焊;管子尺寸φ21.7 mm×3.7 mm 的支管993 根，每两个支管间夹角为43.29°，与φ89.1 mm 的支管组焊，具体结构见图1 和图2。

图1 丙烯氨分布器结构

图2 丙烯氨分布器结构

2 对丙烯氨分布器的检验情况

2.1 宏观检查

2.1.1 目测检查

对丙烯氨分布器进行了目视检查［1］，局部位置配合10 倍放大镜进行了仔细检查，检查结果如下:

(1)断裂均发生在分布器分布管角焊缝，环向断裂，其中有两件带有纵向裂纹;纵向裂纹起始于环向裂纹，该裂纹贯穿壁厚，长度分别为102 mm和150 mm 。

(2)分布器分布管表面呈铁褐色，光亮、细腻光滑;断裂前管件未发生变形，无减薄。

(3)环向断口外表面起裂，断面粗糙，有台阶、有腐蚀产物和环向弧线，断面无塑性变形、无减薄、无剪切唇，呈脆性特征。

纵向断口外表面起裂，断面粗糙呈灰色，具有闪光小刻面，源区有台阶和腐蚀产物，灰色断面上局部有褐色斑点，断裂面无塑性变形、无减薄、无剪切唇，呈脆性特征。

(4)目视观察断裂面壁厚不均匀，管径及壁厚测量结果见表1。

(5)分布器分布管外观及失效特点:环向裂纹和纵向裂纹均起始于分布管脚焊缝部位;管件断裂及其断口均呈脆性断裂;管件表面和断面上存在高温氧化特性;管件壁厚不均匀。

表1 管径及壁厚测量数据

检验的5 根断裂管中有1 根管子裂纹起始于内壁表面，其余4 根裂纹均起始于外壁表面。

2.1.2 捶击检查

对丙烯氨分布器支管进行了捶击检查(0.5 kg)，未发现闷声、浊声级破碎声，反弹速度正常。说明管道材质没有明显劣化迹象，管道内没有明显积垢、结焦现象，管道内也没有发现裂纹缺陷。

2.2 无损检测

对丙烯氨分布器上478 根分布管与支管连接的角焊缝共进行了渗透检测，未发现裂纹类缺陷。

2.3 硬度测定

对丙烯氨分布器支管母材进行了硬度测定，可见硬度值基本正常。数据见表2。

表2 硬度检测数据

2.4 金相检验

对丙烯氨分布器总管及支管母材进行了金相检验，支管母材的金相组织为铁素体+珠光体，基本正常，见图3，裂纹附近及距裂纹一定距离的任意不问金相检验结果见表3。

支管母材特点:

(1)基体为铁素体+珠光体，经氮化硬度较高;

(2)内表面存在明显的氮化特征，氮化物在晶界网状析出和晶内针状析出，氮含量超过溶解极限时，导致含金变脆。

(3)外壁表面存在氧化腐蚀特征，表面晶粒有所长大，氧化孔洞深入基体，破坏基体连续性，表面氧化层及氧化裂纹产生应力集中，成为裂纹起始源。

(4)分布管材料存在氮化、氧化孔洞和裂纹、碳化物晶界析出等高温劣化特征。

图3 丙烯氨分布器支管母材金相组织

表3 金相检验结果

2.5 光谱分析

对丙烯氨分布管进行了光谱分析，结果见表4。

表4 光谱分析结果 w，%

从光谱分析结果上看反应器丙烯氨分布器上分布管确实采用是15CrMo 材料，与原设计材料相符。硬度检测表明:分布管断面内壁向外壁硬度梯度测量HV(1.0 kg)内壁氮化硬度较高，外壁氧化脱碳硬度相对较低。

3 结束语

通过以上试验说明丙烯氨分布器是外部氧化反应及内部的渗氮反应导致分布管脱落，经过实践证明，虽然15CrMo 属于珠光体组织耐热钢，在高温下具有较高的热强性和抗氧化性，并具有一定的抗氢腐蚀能力［2］。但是在丙烯、氨和空气的混合介质中，在455 ℃和0.148 MPa 条件下，不如20 号抗渗氮和抗氧化性强，检修期间将分布管及分布管材质进行更换，更换为与原材质JIS STPT42 基本相同的20 号钢，不再使用15CrMo 材质的分布器。丙烯氨分布管从已运行超过3 a，未出现分布管脱落现象，在8 a 内也不会出现分布管脱落现象。

［1］梁成浩，李淑英，金朝宽，等.稳定塔顶冷却器腐蚀失效分析和防护措施［J］.石油化工设备技术，2000，21(3):47-55.

［2］中国腐蚀与防护学会.石油工业中的腐蚀与防护［M］.北京:化学工业出版社，2001:136-141.