CO2再生塔导流筒损坏失效原因分析及对策

宋文明，孙少杰，刘醒愚，张延涛

(中国石油天然气股份有限公司大庆石化分公司化肥厂，黑龙江 大庆 163714)



CO2再生塔导流筒损坏失效原因分析及对策

宋文明，孙少杰，刘醒愚，张延涛

(中国石油天然气股份有限公司大庆石化分公司化肥厂，黑龙江 大庆 163714)

介绍了合成氨装置CO2再生塔导流筒的频繁损坏情况，从导流筒宏观形态和微观检测两个方面分析其损坏的原因，尤其是重点分析、对比母材和焊缝的断口形态，使用能谱仪检测焊缝与母材断口的表面的腐蚀产物成分和导流筒表面沉积垢质成分，使用金相显微镜观察分析金相组织以及裂纹微观扩展形态，综合分析导流筒损坏的原因和机理。通过对其进行仿真分析模拟计算，确定导流筒优化设计思路：在导流筒与塔壁之间增加一个与导流筒同心结构孔板，其作用是分担一部分流体冲击作用力，并使冲击到导流筒上的力形成一定时间差，从而降低流体对导流筒的冲击作用，以达到延长导流筒寿命的目的。

合成氨装置 CO2再生塔导流筒 失效分析 对策

某石化公司化肥厂合成氨装置是20世纪70年代引进的美国凯洛格技术，1976年9月6日建成投产，日产合成氨1 000 t。2005年8月至10月，合成氨装置进行50%增产扩能改造，现已达到日产合成氨1 500 t。

自2005年扩能改造后，CO2再生塔顶部导流筒进液口附近部位频繁损坏，每次检修恢复投用后，运行寿命均不足1 a。原改造设计的导流筒厚度为6 mm，2011年厚度已增加到了8 mm，2012年由设计院对该部位进行了筋板加固设计，导流筒厚度增加至12 mm，但运行寿命仍低于1 a，损坏形式也由原来的母材撕裂变成焊口开裂加母材撕裂。该文通过对导流筒取样进行失效分析，得出了导流筒频繁损坏的机理，提出了相应的对策。

1 概 况

1.1 设备结构

CO2再生塔高度50 m，内径4 267 mm，顶部进液管线规格φ508 mm×5.54 mm，碳酸钾富液介质沿设备切线方向进入塔内，流量范围为1 554～1 500 m3/h，塔内部设有一环形导流筒，与塔体固定,材质为304L。

1.2 导流筒的损坏情况

自2007年至2015年，CO2再生塔设备及内部导流筒损坏情况，见表1。

表1 导流筒损坏情况

2 原因分析

2.1 宏观检查

选取5块碎块作为试样，进行分析，通过宏观检查，可发现再生塔导流筒部件损坏最严重部位是焊缝，一些筋板处的焊缝完全开裂。其次，在母材本体也产生了一些裂纹和开裂。5块板上均未发现明显的冲刷腐蚀痕迹。在其中一个试件的非冲刷表面处发现一些灰黑色的垢质沉积物。

另外，用体式显微镜观察冲刷表面形貌，可以看出，碎块试件表面为原始钢板轧制痕迹，未发现冲刷沟槽痕迹，也未发现气蚀坑洞。所以，再生塔导流筒部件不存在冲刷减薄现象。

2.2 微观检测

2.2.1 断口微观分析

对试件开裂的焊缝和母材处截取5个试件，超生清洗干净后，用扫描电镜观察分析断口的微观形貌特征。

(1)焊缝开裂断口分析

焊缝断口的微观形貌见图1，由图1(a)的断口微观形貌(放大20倍)可以看出，焊缝断口处母材熔深很小，这类开裂焊缝基本都是单面焊接的角焊缝或者未开破口对接焊缝，对接或者搭接处类似裂纹缺陷，存在很大的应力集中，在钢板受冲击变形时，焊缝处承受很大的交变弯曲载荷，容易导致疲劳开裂。

由图1(b)的断口微观形貌(放大2 000倍)可以看出，焊缝断口的高倍微观形貌发现了疲劳辉纹，这是疲劳断口的最主要特征[1]24，说明焊缝断裂失效性质为疲劳。

图1 焊缝断口的微观形貌

(2) 母材开裂断口分析

母材断口的微观形貌见图2，由图2(a)的断口微观形貌(放大16倍)可以看出，母材断口比较平整，一侧颜色暗灰为先开裂处，向另一侧扩展。

由图2(b)的母材断口的微观形貌(放大2 000倍)可以看出，母材断口的高倍微观形貌也发现了疲劳辉纹，说明母材断裂失效性质也为疲劳[1]28。

图2 母材断口的微观形貌

(3) 对比焊缝与母材的断口形貌

分析对比图1与图2可以看出，焊缝断口的疲劳辉纹间距大于母材断口的疲劳辉纹间距，这说明焊缝的疲劳寿命低于母材的疲劳寿命，即再生塔导流筒部件的焊缝先开裂，随后母材开裂。

2.2.2 断口表面腐蚀产物分析

用能谱仪检测焊缝与母材断口的表面的腐蚀产物成分，结果见表2。由表2可以看出，断口表面只有很少量的氧化物，未发现304L不锈钢应力腐蚀敏感的氯和硫元素，可以确定再生塔导流筒部件开裂不是应力腐蚀。

表2 焊缝与母材断口表面腐蚀产物成分

2.2.3 导流筒表面沉积垢质检测分析

为了进一步确认再生塔顶部碳酸钾富液介质中是否含有氯离子和硫化物，在结垢较多的试件上清理下来一些垢质，用扫描电镜观察分析垢质微观形貌(见图3)，用能谱仪检测垢质化学成分，结果见表3。

图3 垢质的微观形貌图100×

元素w,%x,%C6.2511.76O44.6063.02K0.740.43Ca31.8317.95V2.000.89Mn7.463.07Fe7.132.88

由图3可以看出，试件上的垢质比较致密，为介质长期沉积下来的。由表3垢质化学成分可以看出，垢质主要成分为CaCO3和氧化物，未发现氯和硫元素，可以再次说明再生塔介质里基本没有304L不锈钢应力腐蚀敏感的氯和硫元素。

2.2.4 导流筒裂纹部位微观检测分析

在试件裂纹处截取3个试件，用金相砂纸和金刚石研磨膏研磨，用王水浸蚀，制备成金相试样，用金相显微镜观察分析金相组织以及裂纹微观扩展形态。

导流筒的母材金相组织大部分为奥氏体，含有少量铁素体，铁素体沿着钢板轧制方向呈现条带状分布；导流筒焊缝金相组织成枝晶状，含有微量非金属夹杂物。

3个试件裂纹观察，二次裂纹很少，只发现了一条较小的二次裂纹，见图4。这条二次裂纹扩展无分支，不同于不锈钢应力腐蚀的树枝状二次裂纹形态[1]307，由此可以进一步排除了导流筒发生应力腐蚀的可能性。

图4 二次裂纹形态

2.3 分析结果讨论

(1)再生塔导流筒的损坏与腐蚀没有关系；

(2)导流筒及其支撑部件损坏的主要原因是由于再生塔顶部碳酸钾富液介质的流量与流速随着装置负荷波动而变化，频繁冲击导流筒，造成导流筒长期受到交变载荷，最终导致其出现疲劳破坏；

(3)由于焊缝断口的疲劳辉纹间距大于母材断口的疲劳辉纹间距，这说明焊缝的疲劳寿命低于母材的疲劳寿命，即再生塔导流筒部件的焊缝先开裂，随后母材开裂，所以提高焊缝的焊接质量可以延长导流筒筒体的使用寿命，或减少焊缝数量；

(4)拉杆断裂主要原因是由于导流筒振动造成的。

3 对 策

通过对导流筒外流体的流动状态进行理论分析，确立导流筒的固体计算区域和流体计算区域，建立三维几何模型；考虑结构与流场的相互作用，建立流体域数值模型；采用ALE(任意的拉格朗日-欧拉法)方法，实现流体动网格的描述[2]；固体域应用有限元理论，建立导流筒双向耦合计算模型。根据模型，按照生产中的物性参数定义流动介质属性，确定合适的边界条件，开展仿真分析，得出导流筒内流体速度场的分布，并分析导流筒结构破坏因素。同时研究导流筒外湍动能、耗散率分布、导流筒应力分布规律，确定导流筒优化设计思路：在导流筒与塔壁之间增加一个与导流筒同心结构孔板，其作用是分担一部分流体冲击作用力，并使冲击到导流筒上的力形成一定时间差，从而降低流体对导流筒的冲击作用。

进一步分析设计的孔板距导流筒位置对流体流场及结构压力的影响、开孔板孔径大小对流体流场及相关部位压力的影响，最终确定使用开孔板距导流筒距离为80 mm，孔径为100 mm，孔间距100 mm，弧板圆心角60度，上下宽度400 mm的方案。

4 结束语

根据再生塔导流筒十余年的实际运行和损坏情况，可以判定导流筒结构设计是不合理的。在原结构基础上进行加固或加厚是无法从根本上解决其振动和疲劳损坏问题，但可以采取措施延长导流筒及其部件的使用寿命。

另外，从设备长周期运行角度考虑，应改变导流筒的结构形式，可以参考尿素装置高压汽提塔顶部进液的导流板结构，但两者的作用是有差异的，再生塔导流筒不仅起到导流的作用，还有介质在此空间闪蒸而放出一部分CO2工艺需求，所以需要工艺等多方面系统的核算，是下一步研究的方向。

[1] 王志文，徐宏，关凯书，等.化工设备失效原理及案例分析[M].上海：华东理工大学出版社，2010：24-28，307-310.

[2] 毛君峰. 基于适应结构网格的ALE方法研究[D]. 南京：南京航空航天大学.2007.

(编辑 王维宗)

Cause Analysis of Frequent Damages of Guide Cylinder of CO2Regeneration Tower and Countermeasures

SongWenming,SunShaojie,LiuXingyu,ZhangYantao

(FertilizerPlantofPetroChinaDaqingPetrochemicalCompany,Daqing163714，China)

The frequent damages of the the ammonia plant’s guide cylinder in CO2regeneration tower are introduced. The causes of damages are analyzed in respect of the morphology of the guide cylinder by macro and micro tests, which especially focus on the analysis and contrast of the parent metal and weld fracture morphology. The energy spectrum is applied to test the weld and corrosion products compositions on the surface of the parent metal fracture and the compositions of accumulations on the surface of guide cylinder. Metallographic microscope is used to analyze the microstructure and micro crack extension form. The causes and mechanisms of guide cylinder damages are obtained from comprehensive analysis. The guide cylinder optimization design is suggested to be developed through analysis and simulation: orifice plate which is concentric with guide cylinder is installed between guide cylinder and tower wall to share part of fluid impact force and make the impact of the force to guide tube to form a certain time lag, thus reducing fluid impact on guide cylinder and achieving the goal of extending the service life of the guide cylinder.

ammonia plant, guide cylinder in CO2regeneration tower, failure analysis, countermeasure

2016-05-06；修改稿收到日期：2016-06-22。

宋文明(1981-)，工程师，大学本科学历，2004年毕业于辽宁石油化工大学过程装备与控制工程专业，现为该公司化肥厂机动科静设备主管。E-mail:hfswm@petrochina.com.cn