常减压装置减压塔转油线腐蚀原因分析与对策

关庆林 喻 灿 孙海玲 李卫东 高权坤

(1 中国中化山东昌邑石化有限公司,山东 潍坊 261300;2 上海安恪技术股份有限公司,上海 200237;3 陕西煤业化工技术研究院有限责任公司,陕西 西安 710199)

中国中化控股有限责任公司某分公司常减压装置于2009年5月投产运行,设计规模为5 Mt/a。目前加工的原料以阿曼油和ESPO油为主,原料硫质量分数平均为0.74%,酸值为0.31 mg/g,属于低硫、低酸原油。减压塔转油线中常压塔底油标定硫质量分数为1.12%,酸值为0.35 mg/g,介质在加热后部分气化,呈气液两相。DN350～450 mm管线采用0Cr18Ni9材质,DN600 mm以上选用20R+0Cr18Ni9爆炸不锈钢复合钢板(B1级),管道无损检测比例为10%,且按照Ⅲ级焊缝质量标准进行评定。在历次装置检修检查中仅在低速转油线发现有圆点形态坑蚀,且未发现有明显的裂纹及减薄情况;转油线高速段仅做过定点测厚,未发现明显减薄问题,也未发现隐藏在保温层下的明显焊道缺陷,但在2022年停工期间减压塔转油线高速段管件连接部位发生两处腐蚀穿孔泄漏。因此对泄漏部位进行深入剖析,针对泄漏问题进行排查,并提出了一系列处置措施。

1 减压塔转油线腐蚀检查发现的问题

1.1 减压塔转油线泄漏部位

减压塔转油线高速段管道支路布置见图1。

2022年装置大检修,在装置停工过程中原油闭路循环降温至202 ℃、减压塔恢复常压过程中发现减压塔高速转油线DN450 mm×600 mm偏心大小头0Cr18Ni9材质与DN600 mm爆炸不锈钢复合板弯头交接焊道热影响区2、3点钟方位出现泄漏,随即在蒸汽吹扫阶段又发现DN600 mm×800 mm偏心大小头与DN600 mm直管段转接部位焊道热影响区4点钟方位出现泄漏。

减压塔转油线高速段设置8个进料分支,从减压炉出口开始经过350 mm→450 mm→600 mm→800 mm共4次变径后汇入DN3 220 mm的低速转油线。

减压塔转油线管道材质及壁厚见表1。

表1 减压塔转油线管道材质及壁厚

(1)泄漏部位Ⅰ检查。图2为减压塔转油线高速段单线,图3为转油线D20部位焊缝外部腐蚀形貌。由图2～3可知:减压塔转油线高速段自北向南第3路D20的DN450 mm×600 mm偏心大小头处西侧大头方向,南面2、3点钟方位环焊缝沿边缘有两处腐蚀穿孔,穿孔区域的尺寸分别为45 mm×4 mm、8 mm×2 mm,同侧焊缝在用工具打磨时,发现有穿透情况,焊缝东侧偏心大小头超声波测厚数据为10.64～11.13 mm,焊缝西侧(DN600 mm)90°弯头测厚数据为13.33～13.58 mm,均未发现明显减薄。通过泄漏点外表面观察,焊道处存在错边问题,漏点腐蚀缝隙边缘尖锐锋利,明显减薄穿孔;漏点部位切割后进行内部检查,发现复合板内环焊缝边缘热影响区腐蚀开裂15 cm左右,到外部中间20R碳钢被掏空,开裂口处向外一捅即破,具体见图4。

图3 转油线D20焊缝外部

图4 转油线D20焊缝内部

(2)泄漏部位Ⅱ检查。减压塔转油线高速段西侧自北数第1路D3部位(见图2)DN600 mm×800 mm偏心大小头与DN800 mm弯头连接处焊缝有两处腐蚀穿孔,上部穿孔区域长8 mm、宽2 mm,下部穿孔区域长5 mm、宽1.5 mm。对环焊缝附近区域使用超声波测厚仪测厚,西侧厚度为12.47～12.96 mm,东侧厚度为14.59～14.96 mm。孔洞边缘锋利,腐蚀减薄严重;从管道内壁检查,此道焊缝发现焊缝焊接存在错边、咬边等现象,焊肉出现沟槽状腐蚀坑,已将不锈钢复合层完全腐蚀并将碳钢层腐蚀穿孔,部分蚀坑虽未穿透,但是蚀坑深度最深已经到11 mm,管道内壁部分焊缝也存在焊肉咬边、错边和蚀坑问题。

1.2 减压塔转油线

1.2.1 减压塔转油线0Cr18Ni9不锈钢管线

DN600 mm管径以下管道为0Cr18Ni9不锈钢材质,对DN600 mm以下焊道共70道焊口按NB/T 47013.2—2015标准进行重新检测,焊缝质量标准由Ⅲ级提高到Ⅱ级,检查出减压塔转油线不合格焊口11道,同样存在焊口组对不合格、错边、咬边等缺陷问题。

减压塔转油线高速段西侧自北往南第1路W7弯头(DN450 mm,位置见图2)下直管东南侧测厚数据为10.09～11.37 mm,直管其他区域测厚数据为12.47～12.96 mm。对测厚数据进行横向对比,发现管线明显减薄,此位置腐蚀原因判断为油气流向变换区域的流速较高,导致含有环烷酸及高温硫介质的油气加速对此部位的冲刷腐蚀。减压炉出口转油线高速段减压炉辐射室西南路出口段西侧自南数第2路Z15直管段处发现减薄现象,减薄位置为Z15与W14焊缝北侧西上部位(见图5)。经脉冲涡流扫查发现金属减薄率为25.2%,减薄部位测厚数据为8.87～9.15 mm,该直管其他部位测厚数据为10.12～10.71 mm,经横向对比发现该部位有明显减薄。此位置在减压炉出口侧,介质经过加温后开始气化,顶部为气相,底部为液相,气相流速较快,含有环烷酸及高温硫的油气对此部位进行冲刷腐蚀,金属损失率较高。

图5 转油线第2路Z15直管段减薄部位单线

减压塔转油线高速段西侧自北向南第3路DN450 mm×600 mm大小头接DN600 mm弯头处焊缝北侧发现焊缝对口明显错边,焊缝错边长约200 mm,焊缝错边量约6 mm。原因为90°弯头管件变形,与直管对接时未整形,导致直管和弯头不同心,造成焊道焊接时错边。

1.2.2 减压塔转油线爆炸不锈钢复合钢板管线

减压塔转油线高速段西侧自北向南第4路DN600 mm×800 mm大小头与DN800 mm弯头连接焊缝底部约10 cm内部复合板焊肉被完全冲蚀脱落,导致内部20R碳钢层腐蚀,形成深度约9 mm的凹坑。减压塔转油线高速段东侧自北向南第3路DN800 mm的弯头焊缝、减压塔转油线高速段西侧自北向南第4路DN800 mm的弯头复合板拼接焊缝处出现深坑,焊道热影响区产生裂纹后在此部位产生湍流引起腐蚀凹坑,凹坑深度为6～7 mm。

减压塔转油线高速段大小头与弯头转接部位焊道热影响区复合板产生裂纹后,介质腐蚀碳钢层,内部碳钢层形成空隙,同泄漏点腐蚀形貌相同。减压塔转油线高速段转低速段弯头对接口焊接部位复合板未焊透,焊道在焊接时采用单边焊,内部未熔合,介质在此处会形成湍流,造成焊道腐蚀。

减压塔转油线低速段也存在一些问题。减压塔转油线内焊口热影响区部分环焊缝、水平焊缝处发现多处裂纹,裂纹内渗透出锈迹,3 mm复合板已发生贯穿性应力开裂,复合板在焊接时焊道热影响区存在的残余应力未进行有效消除,在运行过程中焊道热影响区边缘薄弱环节产生应力裂纹。减压塔转油线低速段靠近高速段入口侧内壁的表面有多处不均匀蚀坑,直径为1.0～2.5 mm,深度为0.5～1.0 mm。

2 减压塔转油线腐蚀原因分析

减压塔转油线焊缝腐蚀形貌呈多样性,泄漏点主要发生在介质变向区,此部位焊接应力较大,再加上物流变相,气液两相流流速较高,因运行介质中含有高温硫及环烷酸,在长周期运行下极易产生应力裂纹;另一方面,部分缺陷焊缝存在错边、未熔合等焊接缺陷,再加上焊接残余应力,焊缝区极易发生组织变化。如上所述,由于焊缝热影响区腐蚀开裂的敏感性远大于母材,同时介质流向急剧改变,使腐蚀速度成倍增加,造成焊缝热影响区的开裂,不锈钢复合层焊缝破坏后,失去了对高温硫及环烷酸的防护能力,导致管道快速发生泄漏。

2.1 减压塔转油线复合板管线焊接质量原因

减压塔转油线管径粗,施工配管时在线安装难度比较大。DN600 mm以上管线为钢板卷管,管线存在不同心的问题,焊口组对难度大,管段组对焊接时焊缝部分存在错边、咬边、未熔合等焊接缺陷,同时存在管道内壁焊肉凸起过高的问题,且由于外壁采用单面焊无法进行内壁焊肉打磨光滑,造成管道内壁焊道处油气介质流速与流态发生变化(如产生湍流、涡流等)。焊接后热应力未进行有效消除,在焊缝部位应力大,易产生应力裂纹。

2.2 减压塔转油线复合板管线焊接应力及焊道敏化原因

0Cr18Ni9不锈钢复合板焊接过程中热膨胀系数比较高,在焊接过程中焊道受热不均匀容易产生残余热应力,管道其他未加热母材在刚性条件下,焊缝及热影响区内会残留一部分拉应力,为应力腐蚀开裂提供了条件。陈勇等[1]模拟了0Cr18Ni9不锈钢材料的薄壁型管道环焊缝焊接成型的过程,得出焊缝及热影响区域焊接残余应力分布的规律:焊缝及热影响区域表面轴向残余应力为拉应力,外表层为压应力,内表面与外表面的横向残余应力大部分为拉应力,而径向残余应力大部分为压应力。模拟结果与裂纹开裂方向吻合基本。

0Cr18Ni9不锈钢的敏化是晶界处的铬元素和碳结合生成碳化物,使晶界贫铬,晶界处耐腐蚀性能下降的现象。不锈钢的敏化一般发生在一定的温度区间内,RP0170中给出的敏化温度区间在370～815 ℃[2]。在不锈钢复合板的焊接和管道运行中都能使复合板焊道敏化,在这个温度区间碳原子具有足够的扩散能力,而铬原子扩散能力较低,由于晶界含有各类缺陷,畸变能较高,碳原子不断向晶界扩散,与晶界的铬结合生成碳化物,不断消耗晶界的铬元素,造成晶界处贫铬[3]。贫铬后的焊缝耐蚀能力下降,在应力和腐蚀介质的作用下,复合板焊道热影响部位开裂和焊肉冲刷脱落成为必然。

2.3 介质原因

因减压炉出口介质为部分气化的高流速的高温油气,而高温环烷酸与高温硫的腐蚀速率与介质的流速与流态等密切相关,且焊接部位的耐蚀性低于母材,0Cr18Ni9不锈钢材料耐高温硫腐蚀性能良好,但耐高温环烷酸腐蚀性能较差,且可能在焊接过程中因发生“敏化”而使晶界处耐蚀能力显著降低。当减压炉进料常底渣油中硫质量分数与酸值较高,或是原料油中小分子有机酸含量高时,减压塔转油线高速段焊道产生严重的高温环烷酸+高温硫腐蚀及冲刷腐蚀,且以高温环烷酸冲刷腐蚀为主。在一定的酸值下,温度在288 ℃以上时,每上升55 K,环烷酸对碳钢的腐蚀率将增加2倍[4],减压炉出口温度达到370 ℃时,进入环烷酸和硫剧烈腐蚀的温度区间。当环烷酸酸值在0.4 mg/g以上时,介质流动速度越高,在涡流区环烷酸腐蚀愈严重[5]。常底渣油经高温加热后介质中的硫化物开始分解生成H2S,随着温度的升高,H2S对管道产生腐蚀,腐蚀产物在管道内壁形成FeS保护膜,但环烷酸又继续与FeS反应,形成可溶于油的环烷酸铁,使管道内壁继续被H2S腐蚀[6]。管道中的介质流向发生改变,产生了涡流,高流速气液同时冲击管道金属表面,使局部金属表面受到破坏而失去保护,形成冲蚀,当介质线速度增加时,同等材质腐蚀速率也随线速度的增加而增加,这是转油线转弯或大小头变径处腐蚀加速的主要原因。

3 减压塔转油线问题处置措施

3.1 0Cr18Ni9材质转油线焊道修复

对转油线DN350 mm、DN450 mm不锈钢管线进行脉冲涡流全面检测,对焊道焊接部位进行射线无损检测,并根据检测情况进行修复。对存在错边等焊接质量问题的焊缝重新焊接,再次焊接时严格把控焊接和组对质量,打磨坡口时要将焊口表面打光,去除渗碳面,露出金属光泽面,将接口和坡口及坡口两侧用酒精或丙酮进行除油、清洗。在焊接时选用A102(E308-16)或A107钛钙型焊条,采用氩弧焊打底时,选用H0Cr21Ni10焊丝,焊条焊接前要进行烘干,烘干后的焊条放在干净防潮无污物的焊条筒内,以防止焊条损坏和吸潮,药皮面不能沾有油污等。0Cr18Ni9材料热膨胀系数大,导热性能较差,在焊接时易变形[7],为防止变形焊接时采用跳焊法。0Cr18Ni9的电阻大,焊接时有较大的电阻热,所以同等直径的焊条焊接接头电流值设定应比低碳钢焊条降低20%左右。对焊道进行均匀化处理,将焊头温度升至850～900 ℃,并保温约2 h,使奥氏体晶粒内的铬能完全扩散至晶界,使奥氏体晶界处的铬质量分数恢复至12%以上,以避免晶间腐蚀的发生。修复焊道施工前要进行焊前预热、焊后稳定化热处理,以获得稳定化的效果并减少焊接残余应力。焊接完成后对焊道进行酸洗钝化,目的是去除焊接、高温后焊口部位产生的氧化皮,使之银亮有光泽,处理后在焊道表面形成一层以铬为主的氧化膜,以免发生二次氧蚀,从而提高不锈钢管道焊接口的表面防腐质量,延长管线使用寿命。

3.2 复合板转油线高速段材质升级

对DN600 mm及以上复合板管线进行材质升级,由于检修施工工期紧,316L与317L材料短期内无法供货,因此选用0Cr18Ni9不锈钢,且对管道焊口按照Ⅱ级片标准进行100%射线探伤,焊道焊接按照《化工装置用奥氏体不锈钢焊接钢管技术要求》(HG 20537.3—1992)执行。因0Cr18Ni9不锈钢的热胀量比20R+0Cr18Ni9爆炸不锈钢复合钢板大,经核算将管道加长500 mm,以满足由于材质升级带来的热位移,减少设备管口应力。图6实线部分为管道材质升级部位。施工焊接过程中为保证焊接及组对质量,将管道进行整体预制后进行安装。在高速段转油线与复合层低速段转油线插口焊接过程中要严格遵守焊接组对工艺,对复合管材的焊接采用双面焊保证施工质量,制造标准参照《石油化工不锈钢复合钢焊接规程》(SH/T 3527—2009),焊接之后对所有覆层焊缝进行100%的磁粉渗透检测。转油线低速与高速段插口焊接工艺如图7所示。

图6 复合板管线材质升级部位

图7 转油线低速与高速段插口焊接工艺

3.3 减压塔转油线低速段修复

对低速转油线应力开裂裂纹进行修补,焊接前为防止裂纹继续延伸开裂,首先在不锈钢复合板的裂缝端部或延伸方向打3 mm深的小孔,打孔直径根据裂缝情况判断,以防止复合板裂纹在焊接应力作用下产生延伸开裂。在打孔时还要注意不能伤及碳钢层。裂缝打磨清根后要进行除油,焊接前要先预热后焊接,最后将小孔焊好,这样有利于消除原有复合板的焊接应力,对转油线低速段腐蚀产生的蚀坑进行贴板处理。

4 结语

减压塔转油线系统正常运行时处于负压状态,管道出现渗漏时很难发现,此管段主要以高温硫及环烷酸腐蚀为主,同时在停工后也会发生连多硫酸腐蚀,减压塔转油线施工质量不合格极容易在应力和腐蚀环境共同作用下发生泄漏。为保证管线的正常安全运行,将转油线列入定期检测计划,每季度对弯头、大小头及连接直管部位进行超声测厚检测;高点弯头部位易造成涡流冲刷部位增设无线高温测厚探头,做到实时监控;定期分析减压塔塔顶瓦斯气中的氧气和氮气含量,通过数据比对发现泄漏问题,及时维修,确保生产安全;停工过程中要进行FeS的钝化,防止发生0Cr18Ni9材质的连多硫酸应力腐蚀开裂,检修时要对焊道进行磁粉渗透检测、管线涡流扫查测厚,及时发现管道缺陷,以确保高温转油线在腐蚀环境下的长周期安全运行。