煤制烯烃项目变换管线腐蚀开裂分析及对策
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【摘要】通过对包头煤制烯烃项目净化装置变换单元工艺管线开裂的原因分析，确认应力腐蚀和管材选择是主要原因。进而提出了管材更换方案及相应工程措施，消除了这一重大设备隐患，为装置的长周期运行奠定了基础。
【关键词】裂纹 应力腐蚀 热处理
1 情况简介
神华包头煤制烯烃项目净化装置有两条平行的生产线，单线工艺处理合成气量39万Nm3/h，比常规的单线工艺处理气量25万Nm3/h提高了25%，因此在变换单元工艺管线选材上遵循了专利商在技术规格书中的建议要求，在工程设计中采用了推荐的SUS321含Ti奥氏体不锈钢材料作为变换合成气工艺管线的主材。在2010年11月试车
过程中，发现变换单元三通工艺管线24#-PG-146-210-900-EFFA9-H Φ610×30焊缝处出现裂纹，长度115mm左右，深度3mm左右，对此三通进行了相同材质的更换。2011年商业化运营时，出现更严重的裂纹，而且该单元其它相同材质的工艺管线也多处发现管道焊缝出现裂纹，因此制约了装置的安全、稳定运行。
该变换单元管道工艺参数如下：操作压力： 5.8MPa；操作温度： 420℃；
管内介质： 变换合成气；
管道材质： 0Cr18Ni9Ti（SUS321）。
2 产生裂纹的原因分析2.1 工艺原因
（1）气化原料煤质量的不确定性决定了其含硫、含水量的不确定性，与氧气反应生成物的组份所占比例不同，对管道的腐蚀程度不同。气化装置水煤浆气化反应过程中生成的H2S和 COS对不锈钢材质的设备和工艺管道有腐蚀作用。
（2）随着气化装置生产负荷的逐渐增加，轴径向变换炉的工作负荷随之加大，若不能及调整变换炉之前的气液分离、水气比例、工艺气中夹带灰份的分离等参数，就加速了工艺管线的应力腐蚀。
（3）变换单元分离出来的冷凝液含有H2S、CL―等物质，高温冷凝液是气化装置碳洗塔的洗涤用水，加热后又随气化反应气回到变换单元，形成S-2、CL―富集，对奥氏体不锈钢产生应力腐蚀。
2.2 设计选材原因
对开裂管线进行检查，其材质均为SUS321的奥氏体不锈钢，与设计沟通后确认，设计变换单元时，重点考虑高温高压的工状及H2S和CO2 的腐蚀，对于CL-引起的应力腐蚀没引起重视，所以变换管材选用了SUS321。奥氏体不锈钢应力腐蚀的机理可以归纳为以下几点：
（1）CL- 和S-2 是形成管线应力腐蚀的主要因素，煤浆中的CL- 和S-2 等腐蚀元素随着工艺流程进入到气化、净化装置产生腐蚀。
（2）装置停工时，系统中会存留一定量的冷凝液，若工艺管线中的冷凝液吹扫不干净，就会给CL- 和S-2 应力腐蚀创造条件。
（3）奥氏体不锈钢在湿硫化氢环境中的应力腐蚀开裂除CL-的原因外，湿硫化氢对奥氏体不锈钢也有应力腐蚀。
2.3 结论
根据变换单元的工艺特点，工艺管线材质需要更换成络钼钢。主要原因如下：
（1）针对于变换单元介质的工作温度和压力的特点，铬钼钢、碳钢与不锈钢一样可以起到抗氢腐蚀的作用。
（2）氯离子富集的气化碳洗塔中的冷凝液洗涤水以及之硫化氢、微量氢氰酸、富二氧化碳的酸性环境，是奥氏体不锈钢发生应力腐蚀的主要因素。
（3）变换单元在弱酸性工况下，铬钼钢、碳素钢与介质中的硫化氢形成相对稳定的FeS保护膜，可以减缓管道的腐蚀。
3 工程对策
要保证装置长周期安全平稳运行，用铬钼钢15CrMo对原有的SUS321 管道进行更换。
应力腐蚀裂纹主要发生在纵焊缝和环焊缝的熔合区，因为焊缝根部应力集中，接头处残余焊接应力高，是应力腐蚀的多发区。因此要高度重视焊接质量。
3.1 15CrMo钢的焊接性
15CrMo钢系珠光体组织低合金耐热钢，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。
其碳当量Ceq=C+Mn/6+（Cr+Mo+
V）/5+（Ni+Cu）/15=0.538%
当Ceq>0.4%时，焊接接头淬硬倾向大，易出现冷裂纹。15CrMo钢的碳当量是0.538%，其淬硬倾向大，焊接性差，因此15CrMo钢焊接时，焊接材料的选择和严格的工艺措施是保证使用性能的基本条件。
3.2 焊接工艺参数确定
3.2.1 焊前预热
试件焊前需进行预热，预热温度公式：
To=350℃ 式中：
To――预热温度℃ [C]=[C]x+[C]p [C]
p=0.005S[C]x；
[C]x=C+（Mn+Cr）/9+Ni/18+7Mo/90；
[C]x――成分碳当量；
[C]p――尺寸碳当量；
S――管材厚度 S=30mm；
[C]x=C+（Mn+Cr）/9+7 Mo /90=0.361；
[C]p=0.054 ；
To=142.17℃。
根据计算预热温度选为150℃。若采用氧―乙炔焰对管件进行预热，用激光测温仪测量管件表面的温度，测量点下少于3点，保证整体均匀预热。若采取电阻加热时，如图1所示，焊接过程中不拆除，可以维持预热状态以控制层间温度，其余焊缝采用火焰加热。加热范围为每侧不小于焊缝厚度的3倍，图中所示为最小尺寸要求。图1 预热示意3.2.2 层间温度控制
控制焊接区组织转变的进度是保证焊接质量的基础。在焊接过程中要严格控制焊件的层间温度，使其保持在预热温以上。焊接过程中要边预热边焊接边保温。其次要控制从层间温度冷却至焊接后热处理开始的时间间隔。
3.2.3 焊接后热消氢
焊完后若不能及时进行焊后热处理，应立即进行300～500℃、15～30min的后热处理，保温缓冷。加速氢的逸出，减少焊缝中的扩散氩，降低接头的焊接应力，减少冷裂纹。
3.3 无损检测
（1）焊接接头焊接完成24h后进行100%X射线无损检测，合格级别不低于Ⅰ级。
（2）水压试验合格24h后，焊接接头应进行100%渗透检测，达到Ⅰ级合格。3.4 焊件退火
焊后热处理宜在焊接完毕后及时进行，DN600、DN400、DN350管道焊口热处理采用定形管道电阻加热器进行热处理，DN200及其以下管道焊口采用绳式电阻丝的热处理方式，用硅酸铝纤维棉保温，降温时应待冷却至常温后方可拆除保温层。
热处理工艺曲线见下图2，加热器及保温的固定位置示意图如图3所示。