乙烯装置脱甲烷塔再沸器壳程入口接管泄漏原因及对策

李早东，孟晋安，彭磊(中石油兰州石化公司，甘肃 兰州 70000)

1 概述

脱甲烷塔再沸器是利用管程介质热能将脱甲烷塔塔底物料加热、分离，以提高脱甲烷塔中甲烷-氢、乙烯收率[1]。某乙烯装置脱甲烷塔再沸器的壳程介质为脱甲烷塔釜液，主要为C2以上重组分，入口温度为-7.6～-5.9 ℃；管程介质为丙烯，出口温度为2.38～2.50 ℃。再沸器壳程和管程材质为0Cr18Ni9，基本结构图如图1 所示。2019 年检查发现再沸器壳程入口接管S1 法兰与补强管锻件近焊缝区存在4 处明显泄漏点，近焊缝区出现贯穿性裂纹和气孔，壳程物料泄漏，换热器接管焊缝出现开裂失效。由于脱甲烷塔再沸器是单台运行且无法单独切出检修，乙烯装置非计划停工，造成生产经济损失[2]。

图1 脱甲烷塔再沸器宏观形貌结构图

经查相关资料，S1 出口规格为DN200(8″)，失效部位补强管和法兰材质均为0Cr18Ni9，两管在焊接中采用了单面开坡口，氩弧焊打底，外壁填充、盖面的焊接方式。为查明S1 入口部位泄漏原因，本文采用宏观检测、化学成分分析、金相分析及力学性能测试等方法进行分析并提出了合理建议[3]。

2 宏观检查与材料分析

2.1 宏观检查

壳程入口接管S1 宏观检查未见裂纹附近有明显塑性变形，而表现出低应力脆性断裂特征。内壁位于焊缝两侧的局部区域有明显腐蚀坑，且内壁焊缝成型不良，咬边严重[4]。依据NB/T 47013.5—2015 《承压设备无损检测 第5 部分：渗透检测》的要求，对送检失效管段内、外壁进行渗透检测。结果表明，焊缝上未见有裂纹，裂纹均为横纹，分布于焊缝两侧，长度约为10 mm。根据内外壁裂纹分布和数量初步判断裂纹应从外壁启裂。

2.2 材料分析

2.2.1 光谱分析

依据开裂部位，对法兰侧母材、管侧母材进行光谱分析，如表1 所示。结果表明，法兰侧母材、管侧母材的C、Mn 元素含量均高于JB 4728—2000 对0Cr18Ni9 材料的最高含量要求，Cr、Ni元素均低于标准要求，不满足JB 4728—2000 中对0Cr18Ni9 锻件的化学成分要求。焊缝金属的化学成分基本正常。

表1 光谱分析结果

2.2.2 力学性能分析

从样品管侧和法兰侧轴向部位取样进行室温拉伸实验，实测值试验结果表明，补强管的断后伸长率不满足JB4728 中对0Cr18Ni9 锻件的要求，法兰的拉伸性能指标满足力学性能要求[5-6]。

2.2.3 扫描电镜及能谱分析

对测试样品断口进行清洗等处理，使用扫描电镜观察断口微观形貌。断口均为沿晶开裂，在断裂面上可见有二次裂纹，具有晶间型应力腐蚀和局部晶间应力腐蚀开裂特征[7]。对断口表面结垢物进行能谱分析，可知，断口表面腐蚀性元素主要有O、Cl 和S，其中O 含量高达42.89%，Cl 含量高达1.72%，S 含量高达3.90%。同样，对裂纹缝隙内结垢物进行能谱分析，结果表明，裂纹缝隙内腐蚀性元素主要有O、Cl 和S，其中O 含量最高为33.23%，Cl 含量最高达为1.72%，S 含量最高达3.18%。

2.2.4 晶间腐蚀试验分析

从样品上截取补强管和法兰母材分别进行来样状态和重新固溶处理状态(经1 060 ℃×1.25 h 淬火处理) 的晶间腐蚀试验，试验按照GB/T 4334—2008 中的方法E-不锈钢硫酸-硫酸铜腐蚀试验方法进行。试验结果显示，来样状态均具有非常严重的晶间腐蚀倾向，而经固溶处理后补强管仍有晶间腐蚀倾向，法兰则无晶间腐蚀倾向。

3 分析与讨论

3.1 技术方面

裂纹金相、断口及腐蚀产物取样分析结果表明，脱甲烷塔再沸器壳程入口接管焊缝附近区域开裂性质为晶间型应力腐蚀和局部晶间腐蚀。化学成分分析结果显示，补强管与法兰化学成分中C、Mn、Cr、Ni 元素含量不满足JB 4728 中对0Cr18Ni9 锻件的化学成分要求。开裂是从接管外壁开始，且主要表现为晶间型应力腐蚀。失效接管外部为酸性大气环境，主要含有SO2、H2S、CO2、Cl2等酸性介质。断口表面及裂纹缝隙内腐蚀产物能谱分析检出O、Cl、S 等元素，与其内、外部介质环境基本吻合。基于上述，该容器接管S1 补强管和法兰化学成分不合格，特别是补强管在制造过程未进行充分地锻造加工及最终固溶处理，材料抗敏化性较低，最终在化工外部腐蚀环境中发生晶间应力腐蚀开裂[8]。

3.2 管理方面

乙烯装置中不锈钢容器应用广泛，在总设备数量中占比大。在深冷分离过程中，不锈钢容器发生晶间应力腐蚀开裂的失效模式是普遍存在的。如何避免乙烯深冷分析系统中不锈钢容器再次出现类型失效故障？一方面要选用质量更好、符合更高标准的补强管和法兰；另一方面要采用专业的防腐措施进而避免腐蚀环境和减少腐蚀介质[9]。通过对同类失效问题分析、检测及处理，能准确查找根本原因并快速有效地检修，恢复生产。技术人员务必重视容器防腐措施并定期对容器的腐蚀情况进行深入研究，不断更新防腐技术手段。

4 结论与措施

脱甲烷塔再沸器泄漏失效主要是由补强管锻件材质质量问题，补强管段间在制造过程中缺少有效锻打过程及最终固溶处理，同时在运行过程中存在阶段性有害元素而形成晶间应力腐蚀开裂[10]。上述原因，建议从以下方面考虑来防止同类问题再次发生：加强制造再沸器所需金属材料的入厂检验；增设备用再沸器，并对再沸器出入口设置检修切出阀门等装置；扩大再沸器检验检测范围，制定个性化检验检测方案。同时，对于装置核心再沸器，适当缩短检验周期。