2012年容器检验师-大型成套石化装置压力管道检验案例分析(201204).pdf

1 大型成套石化装置压力管道大型成套石化装置压力管道 检验案例分析检验案例分析 吕运容吕运容 合肥通用机械研究院合肥通用机械研究院 二二O O一二年四月一二年四月 2 第一部分第一部分 概述概述 1.1 管道的失效与检验管道的失效与检验 失效机制失效机制 影响因素影响因素 外在表征外在表征 如何在一定时间内有效无损地检测发现如何在一定时间内有效无损地检测发现 发展规律发展规律 预防措施预防措施 检验人员应当根据压力管道的使用情况、失效模式制定检验方案。检验人员应当根据压力管道的使用情况、失效模式制定检验方案。 改变机械地使用检验规则规定的习惯做法。改变机械地使用检验规则规定的习惯做法。 失效模式分析失效模式分析 检测方法检测方法 检测时机检测时机 管道检验目的发现并预防管道的不正常状态，避免管道失效，管道检验目的发现并预防管道的不正常状态，避免管道失效， 发生事故。发生事故。 失效案例失效案例 3 典型失效模式典型失效模式 氢致损伤氢腐蚀、氢脆氢致损伤氢腐蚀、氢脆微裂纹微裂纹、堆焊层的氢致剥离、堆焊层的氢致剥离 爆炸爆炸 断裂断裂 泄漏泄漏 形过量变形过量变 表面损伤、表面损伤、 金属损失金属损失 材料性能退材料性能退 化化 物理爆炸物理原因物理爆炸物理原因温度、内压温度、内压使应力超过强度使应力超过强度 化学爆炸异常化学反应使压力急剧增加超过强度化学爆炸异常化学反应使压力急剧增加超过强度 脆性断裂应力腐蚀、氢致开裂、持久脆性断裂应力腐蚀、氢致开裂、持久蠕变蠕变断裂、低温脆断断裂、低温脆断 韧性断裂韧性断裂 疲劳断裂应力疲劳、应变疲劳、高温疲劳、热疲劳、腐蚀疲劳、蠕变疲劳疲劳断裂应力疲劳、应变疲劳、高温疲劳、热疲劳、腐蚀疲劳、蠕变疲劳 密封泄漏充装过量密封泄漏充装过量冒顶冒顶 腐蚀穿孔、穿透的裂纹或冶金、焊接缺陷腐蚀穿孔、穿透的裂纹或冶金、焊接缺陷满足满足LBB条件条件 过热、过载引起的鼓胀、屈曲、伸长、凹坑过热、过载引起的鼓胀、屈曲、伸长、凹坑dent 蠕变、亚稳定相的相变蠕变、亚稳定相的相变 电化学腐蚀均匀腐蚀、点腐蚀、缝隙腐蚀、晶间腐蚀、沉积物下腐蚀、溶解氧电化学腐蚀均匀腐蚀、点腐蚀、缝隙腐蚀、晶间腐蚀、沉积物下腐蚀、溶解氧 腐蚀、碱腐蚀、硫化物腐蚀、氯化物腐蚀、硝酸盐腐蚀腐蚀、碱腐蚀、硫化物腐蚀、氯化物腐蚀、硝酸盐腐蚀 冲蚀、气蚀冲蚀、气蚀 高温氧化腐蚀、金属尘化或灾难性渗碳腐蚀、环烷酸腐蚀高温氧化腐蚀、金属尘化或灾难性渗碳腐蚀、环烷酸腐蚀 外来机械损伤油气长输管线的主要失效模式之一外来机械损伤油气长输管线的主要失效模式之一 辐照损伤脆化辐照损伤脆化 金相组织变化珠光体球化、石墨化、金相组织变化珠光体球化、石墨化、S相析出长大、渗碳、渗氮、脱碳、回火脆相析出长大、渗碳、渗氮、脱碳、回火脆 化与敏化、应变时效化与敏化、应变时效 压 力 容 器 与 管 道 主 要 失 效 模 式 4 APIAPI给出的石化工厂腐蚀失效模式（给出的石化工厂腐蚀失效模式（6363种）种） 5 APIAPI给出的腐蚀失效模式给出的腐蚀失效模式 6 APIAPI给出的腐蚀失效模式给出的腐蚀失效模式 7 1.2 压力管道的失效压力管道的失效 压力容器与管道是具有潜在泄漏和爆炸危险的特种设备压力容器与管道是具有潜在泄漏和爆炸危险的特种设备，， 对国家支柱产业有重要影响对国家支柱产业有重要影响，，其特点是其特点是  量大面广量大面广 截止截止2009年底年底，，我国在用固定式我国在用固定式 压力容器压力容器217.5万台万台，，锅炉锅炉60.9万台万台，，在在 用气瓶用气瓶1.3亿只亿只，，压力管道压力管道68.5万公里万公里，， 与承压设备相关的生产企业与承压设备相关的生产企业2万多家万多家，， 年产值超过年产值超过5000亿元亿元 。。  服役环境极端化服役环境极端化 逐渐向高温逐渐向高温、、低温低温液化天然气集液化天然气集 输输，，-196℃℃、、复杂腐蚀复杂腐蚀高硫高硫、、高酸原高酸原 油炼制油炼制、、大型化等极端方向发展大型化等极端方向发展。。 ▇▇ 50万台万台 ▇▇ 40万台万台 ▇▇ 20万台万台 ▇▇ 10万台万台 ▇▇ 2000ppmw2000ppmw的总硫化物和的总硫化物和PH2000ppmw的总硫化物和的总硫化物和PH7.6PH7.6，和，和HCN20ppmwHCN20ppmw。。 - 水相有水相有2wt NH4HS2wt NH4HS。。 - 水相有水相有6wt NH4HS6wt NH4HS。。 - API581API581定义的高的苛刻度环境。定义的高的苛刻度环境。 - 检验历史设备有明显的检验历史设备有明显的SSCSSC、、SOHICSOHIC、、HICHIC或氢鼓包，类似设备在或氢鼓包，类似设备在 相似环境使用有同样问题。相似环境使用有同样问题。 41 湿硫化氢腐蚀机理及形式湿硫化氢腐蚀机理及形式 1 1、、对于碳钢对于碳钢，，主要腐蚀形式为腐蚀减薄主要腐蚀形式为腐蚀减薄、、点蚀点蚀、、坑蚀坑蚀 2 2、、对于部分碳钢对于部分碳钢 含碳量高含碳量高、、沸腾钢沸腾钢、、钢内杂质含量高钢内杂质含量高 等等））、、低合金钢低合金钢、、不锈钢主要腐蚀形式为腐蚀开裂不锈钢主要腐蚀形式为腐蚀开裂。。 开裂形式有开裂形式有4 4种种 a a. .氢鼓泡氢鼓泡（（HBHB）） b b. .氢致开裂氢致开裂（（HICHIC）） c c. .硫化物应力腐蚀开裂硫化物应力腐蚀开裂（（SSCCSSCC）） d d. .应力导向氢致开裂应力导向氢致开裂（（SOHICSOHIC）） 42 硫化氢腐蚀过程中析出硫化氢腐蚀过程中析出 的氢原子向钢中渗透的氢原子向钢中渗透，，在钢在钢 中某些关键部位中某些关键部位（（非金属夹非金属夹 杂物处杂物处、、冶金不连续处冶金不连续处、、分分 层处层处））形成氢分子并富集形成氢分子并富集。。 随着氢分子数量的增加随着氢分子数量的增加，，其其 形成的压力不断升高形成的压力不断升高，，以致以致 引起介面开裂引起介面开裂，，形成鼓泡形成鼓泡。。 a.a.氢鼓泡（氢鼓泡（HBHB）） 氢鼓泡常发生于钢中夹杂物氢鼓泡常发生于钢中夹杂物 及冶金不连续处，其分布平行于及冶金不连续处，其分布平行于 钢板表面。氢鼓泡发生不需要外钢板表面。氢鼓泡发生不需要外 加应力（载荷应力、残余应力），加应力（载荷应力、残余应力）， 43 44 b.b.氢致开裂（氢致开裂（HICHIC）） 在钢的内部发生氢鼓 泡区域，当氢的压力 继续增高时，小的鼓 泡裂纹趋向于相互连 接，形成有阶梯特征 的氢致开裂。氢致开 裂发生不需要外加应 力（载荷应力、残余 应力），故从概念讲 不属于应力腐蚀破坏 范畴。 45 46 c.c.硫化物应力腐蚀开裂（硫化物应力腐蚀开裂（SSCCSSCC）） 硫化氢在液相水中硫化氢在液相水中，，由于电化学的作用由于电化学的作用，，在阴极反应时生成氢在阴极反应时生成氢 原子渗透到钢的内部原子渗透到钢的内部，，溶解于晶格中溶解于晶格中，，导致脆性增加导致脆性增加（（氢原子氢原子 渗透到钢的内部晶格渗透到钢的内部晶格，，在亲和力的作用下生成氢分子在亲和力的作用下生成氢分子，，钢材晶钢材晶 格发生变形格发生变形，，材料韧性下降材料韧性下降，，脆性增加脆性增加）），，在外加拉应力或残在外加拉应力或残 余应力的作用下形成开裂余应力的作用下形成开裂。。 特征沿晶或穿晶特征沿晶或穿晶，，成树枝状成树枝状。。 47 d.d.应力导向氢致开裂（应力导向氢致开裂（SOHICSOHIC）） 应力导向氢致开裂是在应力引导下，使在夹杂物与缺陷处因氢聚集而 形成的成排小裂纹沿着垂直于应力的方向发展，即向压力容器与管道 壁厚方向发展。 48 湿硫化氢腐蚀部位湿硫化氢腐蚀部位 1 1、、蒸馏装置蒸馏装置““三顶三顶””（（H H2 2OHOH2 2SHCLSHCL））常压塔顶常压塔顶5 5层塔盘起层塔盘起塔顶管塔顶管 线线空冷器空冷器水冷器水冷器回流罐为重回流罐为重，，初顶初顶、、减顶次之减顶次之。。 2 2、、脱硫装置溶剂再生塔脱硫装置溶剂再生塔（（塔底塔底））、、再生塔塔底重沸器再生塔塔底重沸器，，贫富液管线贫富液管线。。 （（RNHRNH2 2COCO2 2HH2 2SHSH2 2O O）） 3 3、脱硫装置再生塔塔顶冷凝冷却系统（馏出管线、冷凝冷却器及回流、脱硫装置再生塔塔顶冷凝冷却系统（馏出管线、冷凝冷却器及回流 罐）（罐）（CO2H2SH2OCO2H2SH2O）） 4 4、、催化裂化装置吸收解吸系统催化裂化装置吸收解吸系统。。 （（HCNHHCNH2 2SHSH2 2O O）） 5 5、、汽油汽油、、煤油煤油、、柴油加氢装置精制油汽提塔顶系统柴油加氢装置精制油汽提塔顶系统，，循环氢系统循环氢系统 （（包括脱硫前与脱硫后包括脱硫前与脱硫后）），，燃料气及其脱硫系统燃料气及其脱硫系统（（H H2 2SHSH2 2O O）） 49 6 6、、硫磺回收酸性气系统硫磺回收酸性气系统（（COCO2 2HH2 2SHSH2 2O O）） 7 7、、加氢裂化加氢裂化、、渣油加氢装置循环氢系统渣油加氢装置循环氢系统（（包括脱硫前包括脱硫前 与脱硫后与脱硫后）），，各种气及其脱硫系统各种气及其脱硫系统（（H H2 2SHSH2 2O O）），，冷高分冷高分 气相系统及污水排放系统气相系统及污水排放系统。。 8 8、、瓦斯及火炬系统气柜瓦斯及火炬系统气柜、、分液罐分液罐、、管线低点管线低点、、压缩机压缩机。。 9 9、、其它低温硫化氢部位其它低温硫化氢部位。。 湿硫化氢腐蚀部位湿硫化氢腐蚀部位 50 湿硫化氢环境的设计要求湿硫化氢环境的设计要求  碳素钢或低合金钢制设备和管道应符合下列要求碳素钢或低合金钢制设备和管道应符合下列要求  所使用的材料应是镇静钢；所使用的材料应是镇静钢；  材料的使用状态应是热扎（仅限于碳素钢）、退火、正火、材料的使用状态应是热扎（仅限于碳素钢）、退火、正火、 正火正火 回火或调质状态；回火或调质状态；  材料的碳当量材料的碳当量CECE应不大于应不大于0.430.43 CE CMn/6CrMoV/5NiCu/15CE CMn/6CrMoV/5NiCu/15；；  冷成形加工的碳素钢或低合金钢制设备或管道元件，当冷冷成形加工的碳素钢或低合金钢制设备或管道元件，当冷 变形量大于变形量大于5 5％时，成形后应进行消除应力热处理，且其％时，成形后应进行消除应力热处理，且其 硬度应不大于硬度应不大于HB200HB200。但对于碳素钢制管道元件，当冷变。但对于碳素钢制管道元件，当冷变 形量不大于形量不大于1515％且硬度不大于％且硬度不大于HB190HB190时可不进行消除应力时可不进行消除应力 热处理；热处理； 51 设备壳体或卷制管道用钢板厚度大于设备壳体或卷制管道用钢板厚度大于20mm20mm时，应按时，应按 JB/T4730JB/T4730进行超声检测，符合进行超声检测，符合ⅡⅡ级要求；级要求； 原则上设备或管道焊后应进行消除应力热处理，热处理原则上设备或管道焊后应进行消除应力热处理，热处理 温度应按标准要求取上限。热处理后碳素钢或碳锰钢焊温度应按标准要求取上限。热处理后碳素钢或碳锰钢焊 接接头的硬度应不大于接接头的硬度应不大于HB200HB200，其它低合金钢母材和焊，其它低合金钢母材和焊 接接头的硬度应不大于接接头的硬度应不大于HB235HB235。无法进行焊后热处理的。无法进行焊后热处理的 焊接接头应采用保证硬度不大于焊接接头应采用保证硬度不大于HB185HB185的焊接工艺施焊的焊接工艺施焊 （仅限于碳素钢）。（仅限于碳素钢）。 热加工成形的碳素钢或低合金钢制管道元件，成形后应热加工成形的碳素钢或低合金钢制管道元件，成形后应 进行恢复力学性能热处理，且其硬度不大于进行恢复力学性能热处理，且其硬度不大于HB225HB225；； 52 严重腐蚀环境下工作的碳素钢或低合金钢制设备和钢板 卷制管道除满足以上要求外，还应符合下列要求 材料的使用状态应是正火、正火回火或调质状态； 当材料的抗拉强度大于480MPa时其化学成分 S≤0.002、 P≤0.008、Mn≤1.30，且应进行抗HIC性能试验或恒 负荷拉伸试验。 53  在湿硫化氢应力腐蚀环境中使用的其它材料制设备和管 道应符合下列要求  铬钼钢制设备和管道热处理后母材和焊接接头的硬度应不 大于HB225（1Cr-0.5Mo、1.25Cr-0.5Mo）、HB235 （2.25Cr-1Mo、5Cr-1Mo）或HB248（9Cr-1Mo）；  铁素体不锈钢、马氏体不锈钢和奥氏体不锈钢的母材和焊 接接头的硬度应不大于HRC22，其中奥氏体不锈钢的碳含 量应不大于0.10％且经过固溶处理或稳定化处理；  双相不锈钢的母材和焊接接头的硬度应不大于HRC28，其 铁素体含量应在35～65％的范围内；  碳素钢螺栓的硬度应不大于HB200，合金钢螺栓的硬度应 不大于HB225。  阀芯材料应优先选用12Cr或18Cr-8Ni系列不锈钢，当采用 碳素钢阀芯时阀芯材料的硬度值应不大于HB200。 54 其他减缓湿硫化氢腐蚀的措施其他减缓湿硫化氢腐蚀的措施 采用不锈钢复合板； 表面非金属涂料； 注水洗涤； 注入聚硫化铵缓蚀剂（[NH4]2Sx）可转换氰化物成无害的硫氰酸盐， 控制HCN1000 38-66 L M M H 67-93 M M H H 94-149 M H H H CL- PPM 温度 0C 1-10 11-100 101-1000 1000 10CLSCC PH10 78 不同不锈钢在中性有氧氯化物水溶液中的不同不锈钢在中性有氧氯化物水溶液中的 现场经验和实验室数据的汇总现场经验和实验室数据的汇总 60℃℃以下以下300系系 列不锈钢基本没列不锈钢基本没 有应力腐蚀开裂有应力腐蚀开裂 79 在中性氯化物水溶液中不同等级的CPT（极限点蚀温度） 80  工程上对不锈钢耐氯离子能力限制  根据GB50050-2007工业循环冷却水处理设计规范，敞开式 凉水塔的循环水中氯离子浓度对碳钢与不锈钢换热设备水 走管程氯离子不大于1000ppm，不锈钢换热设备水走壳程 传热面壁温小于70℃，冷却水出水温度小于45℃，氯离子 应小于700ppm。  板式换热器不同材料耐氯离子的能力不同PH7.5壁温 50℃条件下304材料氯离子应小于52ppm、 SS316/SS316L 耐氯离子浓度为250ppm左右，2205和2207耐氯离子浓度为 1000ppm左右，SMO254可耐8000ppm ；  不锈钢水压试验，水中的氯离子含量应小于50ppm（TSG DZ001-2007压力管道安全技术监察规程工业管道 ） 81 含CL-400ppｍ 177℃冷却 水,316L换热器管SCC腐蚀 316L管在232℃下蒸 汽使用环境中的壳 程侧开裂 穿晶开裂模式 显示具有蜘蛛 网外观的紧密 裂纹的管子 82  开工18天后常顶石脑油板 式干空冷器E-1022A-G炭钢 回弯管出现穿孔，检查所 有八台空冷回弯管严重减 薄；  空冷器板束材料为钛材， 管箱和回弯管为碳钢材质。 新装置3月28日开工正常； 案例案例2222某石化公司三蒸馏常顶板式干空冷某石化公司三蒸馏常顶板式干空冷 83 16个弯管全部包扎 小R处减薄 正对弯管口的管箱底部腐蚀 更严重，钛制空冷表面明亮 84 操作温度120-140℃，操作压力0.05-0.16Mpa 蒸馏正常后6天后投用电脱盐，两天后注破乳化剂，4天 后注水3（原油加工量），泄漏后5天注5正常注水量。 其中脱后含盐达40mgNaCL/L. 蒸馏正常后8天注中和缓蚀剂，20天后注水10（塔顶油 气负荷）,腐蚀得到控制。 腐蚀分析 HCLH2SH2O环境 MgCl22H2O→MgOH22HCl CaCl22H2O→CaOH22HCl 有机氯受热分解放出HCL 85 注水不足，初凝区后移，没有中和的酸 性水对材料腐蚀。 86 汽液两相分层，酸性液呈 瀑布状腐蚀所到的面积。计 算机模拟也证实了腐蚀现状。 87 钛板壳与炭钢管箱之间用螺栓连接，两不同电位 金属没有绝缘，形成电化学腐蚀环境； 88 结论 1 注水量小，初凝区位于空冷器回弯管附近； 2 原油电脱盐开得不正常，造成脱后含盐升高； 3 中和剂注量不足； 4 电偶腐蚀起加速作用； 5 操作参数偏离设计参数时，检验要特别注意。 6 形式电偶腐蚀的地方（如异种钢的焊接口、法兰 连接口等）容易腐蚀，检验中应加大检查力度。 89  水平放置膨胀节材料304厚2mm，约10个月的运行在水平下 方发现分布在膨胀节的波谷内壁的数十条纵向裂纹和 φ0.5mm以下的点蚀坑，部分已穿透；  温度110～150℃，压力0.02～0.15MPa，腐蚀介质有 Cl-、H2S；  裂纹中发现有高含量的硫与氯元素； 案例案例2323某石化公司常压塔顶挥发线某石化公司常压塔顶挥发线304SS304SS膨胀节开裂膨胀节开裂 90  裂纹截面点蚀坑→穿晶裂纹→分叉裂纹→解理 二次 裂纹；  截面观察点蚀坑（0.030～0.050mm）→解理 平行的疲 劳辉纹 二次裂纹（0.5～0.6mm）→解理台阶 二次裂纹 （1～2mm）。  开裂过程氯离子引起的点蚀→腐蚀疲劳开裂→应力腐蚀 开裂；  304材料在110-140℃对硫化氢SCC不敏感；主要是氯化物 应力腐蚀开裂。 裂 纹 方 向 91  减压塔顶到一级抽空器前挥发线选用321材质。2007年8月 多道焊缝发生腐蚀开裂；  盐酸腐蚀的形貌非常突出，管内壁坑蚀严重，成沟槽状， 焊缝腐蚀明显； 案例案例2424某石化公司炼油厂减压塔顶挥发线某石化公司炼油厂减压塔顶挥发线321321材料腐蚀与开裂材料腐蚀与开裂 92 案例案例25 25 常压塔顶出口直管段开裂常压塔顶出口直管段开裂 焊缝热影响区开裂向外冒汽焊缝热影响区开裂向外冒汽 腐蚀部位及材质常压塔腐蚀部位及材质常压塔T102T102 顶直管，材质顶直管，材质1818- -8 8 介质汽油、水蒸汽、介质汽油、水蒸汽、H2SH2S、、 HClHCl等等 温度温度110110- -120120 压力压力0.01MPa0.01MPa 腐蚀原因氯离子应力腐蚀开腐蚀原因氯离子应力腐蚀开 裂裂 措施更换碳钢措施更换碳钢0Cr130Cr13复合管复合管 应吸取的教训在常压塔项挥应吸取的教训在常压塔项挥 发线有酸性氯化物的部位不应发线有酸性氯化物的部位不应 采用奥氏体不锈钢。采用奥氏体不锈钢。 93 某石化装置一条管操作温度12