路建雷

(福建省锅炉压力容器检验研究院，福建 福州 350000)

1 前言

催化裂化作为将重组分转化为轻质油的核心装置之一，催化汽油在多个国家的汽油池中比例超过50%,国内通常在70%以上[1]。我国要求车用燃油逐步实现无硫化（国V车用汽柴油硫含量控制在10ppm以下），然而催化裂化汽、柴油中的硫是原料油中带入的，如果能将原料油中硫除尽，汽柴油产品与再生烟气就不需要脱硫了，但考虑到成本因素很难实施[1]。因此现阶段炼厂往往通过一系列的工艺组合不断降低油品中的硫含量，这也意味着部分装置内工艺介质含有硫化物，存在湿硫化氢应力腐蚀风险。

随着原料油中硫元素含量的升高,湿硫化氢应力腐蚀所威胁的装置越来越多，由于应力腐蚀属于一种低应力脆性破坏,断裂前很少出现宏观的塑性变形,这种毫无征兆的脆断给生产带来极大的安全隐患，严重阻碍着炼油装置的长周期安全运行[2-6]。

文中通过无损检测发现的催化裂化装置内湿硫化氢应力腐蚀实例，分析产生的原因，结合原因提出工程上应对湿硫化氢应力腐蚀的建议，实现炼厂长周期安全运行。

2 检测对象与方法

某厂2015年12月至2016年1月停工检修，对催化裂化装置某分馏塔顶油气冷却器（E0003）进行无损检测。经查工艺流程，并与设备使用单位核实，分馏塔顶绝压3公斤，温度115℃，塔顶介质为汽油、液化气、干气、硫化氢、水等，塔顶注缓蚀剂后经空冷冷却至60℃，再经水冷冷却至40℃。分馏塔顶油气冷却器（E0003）主要作用为将分馏塔顶工艺介质进行冷却，壳程介质为塔顶馏份，管程介质为循环水。

2.1 E0003相关参数

设备壳程壳体材料为16MnR，化学成分见表1。制造时未采用焊后热处理，带焊缝标识的设备简图如图1所示，设备设计与操作条件见表2。

表1 材料化学成分（%）

图1 设备简图

表2 设备操作与设计条件

2.2 无损检测方法与比例

宏观检验：目视加使用5X放大镜。

测厚仪型号：26MG型，精度±0.1mm。

磁粉机型号：CDX-Ⅲ型，红磁膏为磁粉，水悬液（15-20）g/l为磁悬液，使用交叉磁轭法探伤，检测标准为NB/T47013.4-2015[7]。

超声机型号：HS610e，使用2.5Z8X12 K2.5型号探头脉冲反射法单面双侧扫查，检测标准为NB/T47013.3-2015[7]。

将焊缝打磨后，对设备整体进行目视宏观检验，对设备管程、壳程壳体内表面焊缝进行100%磁粉检测，在外表面用超声对板材、焊缝进行检测，对于重点部位如焊缝处进行100%超声检测。

3 检测结果与裂纹类型

对壳程壳体内表面进行磁粉检测时，发现环缝H3、H4及纵缝Z3存在大量密集型裂纹，部分裂纹呈树枝状，其他位置裂纹相对较少，未喷反差剂典型磁粉检测结果如图2(a)所示，为更好观察裂纹，喷上反差剂后典型磁粉检测结果如图2(b)所示，从图2可清楚地看出焊缝附近的大量裂纹。

检测结果表明裂纹主要产生于焊接接头及热影响区，并且两环缝（H3与H4）与纵缝Z3相交的T型焊缝接头处裂纹较多。从裂纹形态上看，断续存在并呈网状开裂及龟裂，通过金相观察裂纹微观形态，金相试样结果如图3所示，通过金相判断，裂纹主要呈沿晶开裂。结合裂纹的形貌和开裂部位，参考相关文献[8-12]，分析裂纹属于硫化物应力腐蚀开裂。

图2 焊缝磁粉检验结果

图3 试样金相分析结果

4 裂纹原因分析与处理建议

4.1 原因分析

经查装置历史，装置于2012年升级改造，改造前设备使用正常，检测时并无裂纹报告。改造后装置处理量提升，原油更换为沙特原油，原油中硫元素质量分数为1.3%，塔顶注油溶性缓蚀剂，注入量稳定。

根据以上情况，从工艺方面分析，在油气冷却过程中会冷凝出液态水，硫化氢气体部分溶解并与游离水构成湿硫化氢环境，在残余应力作用下产生湿硫化氢应力腐蚀开裂。虽然弱碱性缓蚀剂的注入提高了系统pH值，降低硫化氢含量，减缓了均匀腐蚀，但也存在处理量波动但缓蚀剂注入量并未及时调整的情况，系统中的硫化氢并未被完全中和，防止湿硫化氢应力腐蚀开裂完全依靠工艺措施难度很大。

从设备方面分析，设备材料16MnR碳、锰含量高，根据国际焊接学会推荐的碳当量计算公式[13]，计算得到板材碳当量为0.405%，碳当量高，焊缝与热影响区硬度较高，加上未进行焊后热处理，设备在湿硫化氢环境中会存在严重开裂倾向，加之工艺防腐的不可靠造成了设备开裂。考虑到环缝H3、H4一方面远离入口，此处液体相较其它位置更为稳定，可能是游离H2S含量最高的位置，同时H3、H4处附近有开孔，受应力集中的影响，高残余应力会增加硫化物应力腐蚀开裂的敏感性[9]，造成环缝H3、H4附近裂纹较多。

4.2 处理建议

针对此台设备给出如下处理：

（1）设备仍在原工艺介质、工艺条件下操作会存在极大风险，建议及时更换。

（2）如仍需继续使用此台设备，应对设备进行全面检测与评估，将发现的裂纹缺陷打磨消除，对打磨深度小于壁厚余量的凹坑圆滑过渡处理，打磨凹坑深度大于壁厚余量时设备应做报废处理。同时进行热处理，改善焊接接头和热影响区的组织和性能，降低残余应力。

5 对策

总结此台设备湿硫化氢应力腐蚀开裂原因，为实现炼厂长周期安全运行，提出如下防范湿硫化氢应力腐蚀开裂建议：

（1）工艺防腐：应准确了解设备内工艺介质成分，精心操作，根据当前工艺条件、介质参数等，适时、适量注入适合的缓蚀剂，同时保证缓蚀剂的质量。

（2）装置应严格按照设计负荷和设计条件进行生产操作，对偏离设计条件的操作应进行严格评估，充分考虑工艺改变可能导致的诸如湿硫化氢应力腐蚀等问题的可能性。

（3）合理选择设备材料，存在湿硫化氢应力腐蚀倾向时应采用强度等级较低的材料，以有效降低焊缝与热影响区的碳当量和硬度。

（4）进行热处理消除残余应力，通过热处理释放焊接、冷加工等过程的残余应力。控制焊缝及热影响区的硬度分别降到HB200、HV245以下。

（5）加强设备全服役周期管理并定期检测。设备制造过程中焊接和热处理过程应严格监控，确保设备质量；设备停工检修时加强对焊缝及热影响区等湿硫化氢应力腐蚀重点发生部位、表面制造缺陷与机械损伤处等应力集中处的检验。