PSA装置塔顶及送氢管线螺栓腐蚀断裂的分析及对策.pdf

损伤失效与新材料104PSA 装置塔顶及送氢管线螺栓腐蚀断裂的分析及对策杨 旭（中国石油乌鲁木齐设备检验检测院 乌鲁木齐 830019）摘 要：某石化炼油芳烃生产部 70 000 Nm3/h 变压吸附制氢装置(PSA)吸附器塔顶及送氢管线螺栓（35CrMo、M27270 mm）断裂，10 台吸附器塔顶及送氢管线螺栓均发生不同程度的断裂，断裂部位都在同一部位，造成装置非计划性停工。通过对该螺栓进行各项检验及分析，结合现场工艺情况，找出了断裂失效原因，确定该螺栓断裂由应力腐蚀造成。关键词：塔顶吸附器及送氢管线 螺栓 应力腐蚀 硬度Analysis and Countermeasures of Device Top of Tower and Hydrogen Transmission Pipeline Bolt Corrosion and FractureYang Xu(Equipment Inspection and Testing Institute of PetroChina Urumqi Urumqi 830019)Abstract The top of the adsorber tower and the bolt(35CrMo,M27 270 mm)of the hydrogen delivery pipeline of a 70 000 Nm3/h(PSA)hydrogen production unit in the aromatic production department of a petrochemical refinery cracked.10 adsorber towers and bolts cracked in different degrees and cracked parts were at the same position,caused unplanned shutdown of the unit.Through various inspections and analysis of the bolt,combined with on-site process conditions,the failure cause of the fracture was found out,and the fracture of the bolt was determined to be caused by stress corrosion.Keywords Tower top adsorber and hydrogen transmission pipeline Bolt Stress corrosion Hardness中图分类号：X933.4 文献标志码：B文章编号：1673-257X(2023)S2-0104-04 DOI:10.3969/j.issn.1673-257X.2023.S2.022作者简介：杨旭（1984 )，男，本科，助理工程师，从事理化检验、压力容器压力管道检验工作。通讯作者：杨旭，E-mail:。（收稿日期：2022-11-02）1 引言2021 年 9 月，炼油厂芳烃生产部在装置例行检查时发现 70 000 Nm3/h 变压吸附制氢装置(PSA)吸附器塔顶及送氢管线螺栓附近有大量脱落的氧化皮，经宏观检查发现法兰孔中螺栓部分已断裂（35CrMo、M27270 mm），10 台吸附器塔顶均存在不同程度的螺栓断裂情况，送氢管线法兰连接螺栓部分断裂，断裂部位都在同一部位，因此造成装置临时停工。2 变压吸附制氢装置(PSA)吸附器塔顶螺栓失效分析2.1 工艺流程及设备简介来自界外的混合原料气在压力 2.0 MPa、温度 20 40 下首先进入水分离器（D2951），分离掉气体中夹带的液体，再经流量计计量后，进入由 10 台吸附器（C2951A J）及一系列程序控制阀组成的变压吸附系统。变压吸附系统采用 10 塔操作，3 塔进料、4 次均压、顺放冲洗降压解吸的操作工艺。原料气自下而上进入 3 台正处于吸附状态的吸附器中，由其内部的吸附剂进行选择性吸附，杂质组分被吸附，而未被吸附的氢气在吸附压力下从吸附器顶部流出，获得产品氢气。大部分 N2、CH4、烃等组分被吸附在吸附第 39 卷 增刊 2 损伤失效与新材料105剂上，通过减压，使被吸附的 N2、CH4、烃等从吸附剂上脱附，即得到解吸气，同时使吸附剂得到再生。其余 7 个吸附器分别进行其他步骤的操作，10 个吸附器交替循环操作，时间上互相交错，以此达到原料气连续不断地输入、产品氢气连续不断地输出的目的。变压吸附系统的解吸气来自吸附器的逆放和冲洗阶段。均压步骤结束后吸附器进行顺放冲洗步骤，来自吸附器顺放阶段的顺放气体经过程控阀进入顺放罐缓冲，再经调节阀调压后对吸附器进行冲洗，冲洗后的废气与逆放气混合后送出界外。在逆放步骤时，逆放初期压力较高的解吸气进入解吸气缓冲罐缓冲，再经调节阀调压后送出界外；逆放后期压力较低的解吸气则经调节阀调压后送出界外。混合后的解吸气经流量计计量后连续稳定地送出界外。见图 1。图 1 吸附塔2.2 设备运行下存在的隐患风险本装置变压吸附系统采用 10-3-4/P 操作工艺，即设 10 个吸附器，任何时刻均有 3 个吸附器进料（处于吸附状态），4 次均压，降压冲洗解吸工艺。10 个吸附器依次执行吸附和再生操作，使原料气连续不断地输入，产品氢气连续不断地输出，整个操作过程在环境温度下进行。每个吸附器经过吸附（A）、降压平衡 1(E1D)、降压平衡 2(E2D）、降压平衡 3(E3D)、降压平衡 4(E4D)、顺放(PP)、逆放(D)、冲洗(P)、升压平衡 4(E4R)、升压平衡 3(E3R)、升压平衡 2(E2R)、升压平衡 1(E1R)、最终充压(FR)等步骤，完成一个吸附周期。此吸附器是存在典型交变应力的工况，单位时间内升降压造成螺栓承受横向剪切力，完成均压步骤后的吸附器内主要是甲烷、CO、CO2 等杂质组分，轻微泄漏加上雨水倒灌进螺栓孔中导致螺杆腐蚀并受交变应力。变压吸附（10-3-4/P 工艺）时序 见表 1。步骤压力/MPa温度/时间/s吸附 A2.0 40180降压平衡 1 E1D 1.61 4030降压平衡 2 E2D 1.22 4030降压平衡 3 E3D 0.83 4030降压平衡 4 E4D 0.44 4030顺放 PP 0.18 4030逆放 D 0.05 4030冲洗 P0.05 4030升压平衡 4 E4R 0.44 4030升压平衡 3 E3R 0.83 4030升压平衡 2 E2R 1.22 4030升压平衡 1 E1R 1.61 4030最终充压 FR 2.0 4030合计（循环周期）600表 1 变压吸附（10-3-4/P 工艺）时序表2.3 宏观检查通过宏观检查发现螺栓外表面均有不同程度的腐蚀，断裂部位均在螺杆的螺纹处，且螺纹已腐蚀。因常年雨水灌进法兰孔造成螺纹接触面锈蚀，螺杆直径减薄。见图 2、图 3。图 2 断裂宏观形貌 图 3 螺纹腐蚀部位厚度 2.4 电镜检测对断裂处取样、清洁后做扫描电镜1。可见由于长时间受交变应力作用，裂纹表面氧化严重，扫描电镜下观察到的均为氧化皮，疲劳弧线在扫描电镜下较为明显。见图 4、图 5。损伤失效与新材料106 图 4 5 000 倍下氧化皮形貌图 5 20 000 倍下疲劳弧线形貌?2.5 金相检测从断裂部位取样进行金相组织分析，经打磨、镶嵌、侵蚀后观察其金相组织为回火索式体2。见图6、图 7。图 6 宏观下样品照片 图 7 微镜下组织形貌2.6 硬度检测依据 GB/T 3098.12010紧固件机械性能 螺栓、螺钉和螺柱，对螺栓及螺杆进行了硬度检测，结果见表 2。螺杆硬度值为 124 147，螺母硬度值为 121 144。车间提供螺栓强度等级为 8.8 级，即M16，硬度值为 248 323 HB。由检测结果可知，螺栓硬度不符合标准要求。编号硬度值（HB）注明X1X2X3X4X5平均值1121120129133130120M27270212713514412914012731351471441271291364127129137130147130M2717551291331211371291276124135124136121129表 2 硬度检测结果2.7 强度检测对螺栓加工制样进行拉伸试验，取值依据按照GB/T 228.12021金属材料 拉伸试验 第 1 部分：室温试验方法，结果见表 3。其抗拉强度为 838 1 260 MPa，屈服强度为 700 990 MPa,断后伸长率为 9.5%11.5%,断面收缩率为 41%51%，均符合GB/T 3098.12010 的要求。试样号 抗拉强度 Rm/(N/mm2)屈服强度 ReL/(N/mm2)断后伸长率 A/%断面收缩率 Z/%断口位置断口缺陷11 4711 1599.551标距内21 5301 1569.541标距内31 26099012.040标距内482670411.551标距内582170010.047标距内683870711.550标距内表 3 拉伸试验结果3 螺纹失效原因分析通过宏观检查、金相检验、力学试验发现螺栓外表面均有不同程度的腐蚀，断裂部位均在螺杆的螺纹处，且螺纹已腐蚀。因塔顶未设置雨水遮挡物，导致常年雨水灌进螺栓孔3，厂区大气中有机酸性物与水形成酸造成螺纹接触面锈蚀，螺杆直径减薄。此吸附器存在典型交变应力的工况，因螺栓直径减薄导致受力不均匀，单位时间内升降压造成螺栓承受交变拉应力（断裂部位均在同一部位，且断裂起始源都在螺纹第 39 卷 增刊 2 损伤失效与新材料107根部），螺杆减薄后抗拉强度不足以抵抗交变应力的作用，疲劳开裂后瞬断，属于典型的应力腐蚀开裂及疲劳断裂损伤形貌。4 防范措施1）更换使用强度等级较高的螺栓，避免交变应力造成疲劳断裂；2）塔顶设置伞状遮盖物，防止雨水倒灌进螺栓孔；3）采用光谱检测、金相检测、硬度检测定期检查螺栓状态，必要时进行拉伸试验。参考文献1 GB/T 20120.12006 金属和合金的腐蚀 腐蚀疲劳试验 第1部分：循环失效试验 S.2 刘俊伟,陈淑贞.高压容器用螺栓断裂失效分析J.理化检验(物理分册),2012,48(12):834-836+840.3 牛小翠.压力容器设计中螺栓(柱)和螺母的正确选用 J.化工机械,2019,46(06):611-614+640.（上接第 99 页）4）2016 年大修期间对 E104 进行材质升级，筒体内壁增加双层（309+316L）堆焊，管束材质升级为825 高合金钢。4.2.2 防范措施1）高度重视对关键换热器的设计审查及制造质量的把关；2）装置检修应对关键换热器进行开盖检查，做到不漏检、不漏修；3）研究制定控制铵盐析出的工艺技术措施，降低氢气中氯含量；4）加强关键设备、关键参数的监检测管理，及早发现隐患，避免问题扩大。5 结束语由于炼油生产装置原料来源多、组分复杂，因此设备及管道因腐蚀问题造成泄漏是不可避免的。目前，多数泄漏问题可以追溯到设计错误、制造质量差等原因。因此需要对装置泄漏产生的原因和腐蚀机理认真研究，采取有效的防护措施，加强原始设计、设备制造、工艺操作管理，合理选择设备材质，相对减慢腐蚀速度，才能既考虑经济性又保证装置安全平稳长周期安全运行。参考文献1 API 5712003 炼油厂固定设备的损伤机理 S.2 刘小辉.炼油装置防腐蚀策略 M.青岛安全工程研究院，2008.（上接第 103 页）1）改进塔盘结构。为了满足洗氨效果，塔盘布置较密，塔盘与筒体连接处较易形成聚集和旋涡，造成洗液中总酸度较高，易形成腐蚀，因此可以改进塔盘结构；同时，减少塔盘数量、增加塔盘厚度或采用耐腐蚀的衬里材料和塔盘材料，可以有效降低或减缓 腐蚀4-5。2）改善工艺工况。对洗氨塔下液 NH3含量、pH值进行监测，有效降低洗液的总酸度；调整进出口压力及流速等，减小冲击和涡流，也可以适当降低或减缓腐蚀。参考文献1 李公伟,常起,周春领.变换洗氨塔腐蚀原因分析及解决措施 J.中氮肥,2019(04):24-27.2 翟志清.延迟焦化分馏塔塔盘腐蚀原因分析及防护措施 J.石油化工腐蚀与防护,2015,32(04):49-53.3 田启明.氨洗塔腐蚀隐患的消除与安全评估 J.中国安全生产科学技术,2005(02):57-59.4 瞿滨.焦化分馏塔顶循系统存在的问题和对策 J.炼油技术与工程,2007,37(02):31-33.5 张金先.焦化分馏塔顶塔盘结盐的处理措施 J.炼油技术与工程,2009,39(03):24-27.