高壓甲銨冷凝器殼體焊縫缺陷原因分析及處理方法

魏 傲,劉秀廷

(海洋石油富島有限公司,海南 東方,572633)

海洋石油富島有限公司(以下簡稱富島公司)化肥一期52萬t/a尿素裝置是國內第一套生產大顆粒尿素的裝置,采用從意大利Snam公司引進的氨汽提法生產工藝,主要生產直徑為2.0～4.0 mm的大顆粒尿素。在尿素裝置中,高壓甲銨冷凝器作為尿素裝置的關鍵設備,其主要作用是為氨和二氧化碳的反應提供場所,同時利用反應中產生的熱量為系統提供低壓蒸汽。

經過20多年的使用,原始設備腐蝕嚴重,檢修頻繁,設備性能下降,因此在2014年對舊設備進行了更新改造。新設備按原設備外形尺寸制造,按照意大利Snam公司最新改進建議,將換熱管材質升級為25Cr22Ni2Mo尿素專用不銹鋼,固定管板為碳鋼堆焊25.22.2。2020年進行首次定期檢驗,發現低壓側殼體焊縫存在缺陷,需對其進行處理以消除缺陷。

1 工藝流程概述

富島公司化肥一期尿素裝置目前使用的高壓甲銨冷凝器(E105)由意大利Snam公司設計、意大利VILLA&BONALDI公司制造。工藝流程見圖1。

圖1 工藝流程注:1—尿素合成塔;2—甲銨分離器;3—高壓甲銨冷凝器;4—汽提塔

來自汽提塔(E101)頂部的氣體(主要是NH3、CO2)與中壓系統返回的甲銨匯合,一并進入甲銨冷凝器上部管箱,然后流入U形管束上部列管內。在列管中,氨和二氧化碳反應生產甲銨,同時放出大量熱量,熱量被低壓殼側沸騰的水吸收,產生0.34 MPa(g)低壓蒸汽,供系統使用。冷凝后的物料離開甲銨冷凝器管箱底部,進入甲銨分離器(V-101)進行液氣分離。

2 設備結構簡介

高壓甲銨冷凝器是臥式釜型U形管式換熱器,管程是高壓系統,殼程是低壓系統。設備由高壓封頭、管箱、U形管束及低壓殼體等部件組成,各主要零部件規格及材質見表1。設備管側出口管設計在管箱正下方,防止設備底部有不流動區域積液。低壓側固定管束的豎向和橫向支撐板為304L不銹鋼材質,U形管束采用Ni25Cr22Mo2不銹鋼,其主要性能參數見表1。

表1 高壓甲銨冷凝器E105主要性能參數

3 問題描述

富島公司化肥一期尿素裝置高壓甲銨冷凝器(E105)于2014年底完成更新改造,拆除原有舊設備,將新設備投入使用,在2020年裝置大修期間對該設備進行了檢測。發現在低壓側與高壓側連接的環焊縫W6內表面出現明顯腐蝕,超聲波測厚結果表明:除了W6之外,另外兩條環焊縫W61、W43也已經產生了2 mm左右的減薄(總壁厚15mm)。變徑處縱焊縫W5表面也有明顯的凹坑,但是焊縫尚有余高。該部位由兩節長度為200mm的筒節組成,筒節內徑為φ1 610 mm,設計要求的最小厚度為15 mm,其材料牌號為SA516Gr.70(與國產材料Q345R相當)。該部位的3條環焊縫及縱焊縫內表面均出現不同程度減薄腐蝕(見圖2)。

圖2 焊縫腐蝕情況

2020年中國特種設備檢測研究院對其進行檢驗,E105的安全狀況被評為3級,定檢周期為2年。

4 原因分析

針對上述現象,對腐蝕的原因進行了探究,根據換熱器常見的腐蝕原因逐一進行分析。

4.1 溶解氧腐蝕

這種腐蝕是由于碳鋼與溶于水中的氧作用生成鐵的氧化物所致。這類腐蝕往往不是均勻腐蝕。但是如果水質較硬,也有可能出現局部腐蝕。

針對此類情況,對2014年設備投用后的工藝參數指標(pH值、溶解氧含量以及電導)進行了分析,發現各個參數指標正常,不存在異常情況。同時,將數據反饋給供應商、專利商和制造廠,三方一致認為:工藝參數指標正常,可以排除溶解氧腐蝕。

4.2 電偶腐蝕

如果設備中的某些零部件用不同的金屬材質制成,且相互連接置于水中,則由于不同材料的金屬的電極電位不同,而形成電偶電池,這時所產生的腐蝕為電偶腐蝕。高壓甲銨冷凝器殼體材料牌為SA516Gr.70,厚度為15 mm,不存在不同材料連接的情況,可以排除電偶腐蝕。

4.3 縫隙腐蝕

縫隙腐蝕是由于金屬與覆蓋物(金屬或者非金屬)之間形成特別小的縫隙,使得縫隙內的介質處于滯留狀態,而且這種介質中存在危害性陰離子(Cl-),常見于換熱器的法蘭連接面、銹層和垢層下面等處。針對該情況,查閱了原始設備資料。

發現和舊設備相比,新設備在管束外側新增了一圈護板,護板與殼體間的間隙為14 mm,該縫隙尺寸足夠大,不具備形成縫隙腐蝕的條件。同時通過內部檢查,發現環焊縫的腐蝕主要集中在焊縫上半部,沒有填充液體的區域,下半部浸沒在液體中的焊縫表面,腐蝕情況不明顯,因此進一步證明:縫隙腐蝕不是導致焊縫缺陷的主要原因。

4.4 點腐蝕

點腐蝕是一種特殊的局部腐蝕,導致在金屬表面出現小孔,嚴重時可使設備穿孔。點腐蝕主要發生在鋁、鈦、不銹鋼等能自鈍化的材料中,常見于不銹鋼材料。

通過觀察焊縫情況可知,焊縫主要缺陷是焊肉缺失,不是孔狀腐蝕,因此可以排除點腐蝕。

4.5 應力腐蝕

金屬在拉應力和腐蝕介質的聯合作用下所引起的開裂稱為應力腐蝕開裂。不銹鋼、鈦合金、鋁合金及碳鋼材料在通入含Cl-的氣體介質,很容易產生應力腐蝕開裂。

高壓甲銨冷凝器低壓側并不是完全充滿液體,在液位以上的焊縫腐蝕情況明顯,液位以下的焊縫基本無腐蝕。正是由于上部不能充滿液體,且此處液體處于沸騰狀態,沸騰作用使得上半部區域的焊縫區成為了干濕交替的部位,即使蒸汽冷凝液中的鹽濃度很低,但是由于不斷被濃縮,使得該部位鹽度不斷增加,如果設備制造過程中存在焊接應力,則焊縫部位的拉應力和高溫會促使焊縫處出現開裂的現象。根據上述分析,設備結構和現場使用工況是具備產生應力腐蝕開裂條件的。但是對設備該處短節進行切割后,檢查表面未發現裂紋,所以應力開裂也不是導致焊縫出現缺陷的主要原因。

4.6 磨損腐蝕

由于介質的運動速度大,或者介質與金屬構件相對運動大,導致構件局部表面受到嚴重的腐蝕損壞,稱為磨損腐蝕,主要分為湍流腐蝕和空泡腐蝕兩種。

湍流腐蝕主要發生在設備的某些特定部位,由于流速的突然增大,在該處形成湍流,使得金屬表面受到很大的擾動(切應力),從而引起腐蝕。此處為設備結構尺寸發生改變的區域,在該處確實會存在流速的變化,但是該設備結構設計為蒸汽冷凝液上進下出,且蒸汽冷凝液進出口均設置在殼程筒體上,進口靠近管箱側,出口遠離管箱側,說明蒸汽冷凝液在軸向并不存在很大的流速,由此可以排除湍流腐蝕的影響。

空泡腐蝕又稱為氣蝕,是在流體與金屬構件作相對運動時,在金屬表面局部地區產生渦流,因而伴隨有氣泡在金屬表面迅速生成和破滅,由此對金屬表面產生沖擊而導致的腐蝕。針對該情況,由于在該處流體處于沸騰狀態,蒸汽冷凝液會形成氣泡沖擊焊縫表面,對金屬表面產生沖擊進而產生腐蝕現象,從設備結構和工藝條件上來分析,存在空泡腐蝕的可能性。此外,對比新老設備結構上的差異,老設計是法蘭連接,直段筒節加上法蘭高度,總長為355 mm,而新設計直邊筒節加上管板焊縫凸臺(30 mm)一共430 mm,新設備的直管段尺寸與老設備相比,增加了75 mm。管箱上部高溫介質進入上部換熱管,直邊段越長,這個部位蒸汽產生得越多,首先向上部匯聚,尤其是新設計中增加了護板,蒸汽會從14 mm的間隙向左側導流,相對于老設計,新設計這個部位的蒸汽量更大,增加導流板后,導流的間隙更小,氣速就會顯著增加,理論上空泡腐蝕的效應就會更強,故空泡腐蝕可能是導致焊縫缺陷出現的主要原因之一。

4.7 氫腐蝕

氫腐蝕是指鋼在收到高溫、高壓作用后,其力學性能劣化,強度、韌性出現明顯降低的不可逆轉的損傷。高壓甲銨冷凝器殼側的操作溫度為147 ℃,且介質為蒸汽冷凝液,不符合發生氫腐蝕的條件,因此排除該因素。

此外,還對新老設備材質及設備結構進行了分析對比,其材料牌號相同,均為SA516Gr.70,厚度為15 mm。但在W6、W61、W43所處的短節位置的確存在一些不同之處,具體情況對比見表2,新設備焊口形式見圖3。

表2 焊縫情況對比

圖3 新設備焊口形式

舊的高壓甲銨冷凝器在W61和W43處采用的是X形坡口,運行了20多年沒有出現過此類缺陷(見圖4)。新設備在最后組對焊接之前,W61及W43兩條焊縫完全具備條件用X形坡口進行雙面焊接,以保證焊縫內表面的質量。對于新制造的設備廠家,選用了V形坡口進行焊接處理,但是焊接過程中質量控制不到位,導致存在埋藏缺陷,隨著設備的使用,存在埋藏缺陷的焊縫被沖刷、腐蝕。

圖4 舊設備焊口形式

5 處理方法

5.1 廠家提供的修復方案

通過聯系設備專利商和設備制造廠家,雙方最后給出的方案是:抽芯-打磨清根-重新焊接。首先將低壓側殼體和管箱之間的連接焊縫切割開來,然后制作專用工具對其進行抽芯,將高壓側封頭連同管束一起與殼體拆除分離。抽芯過程中必須要做好對管束的保護。施工示意見圖5。

圖5 抽芯方案施工示意

綜合考慮裝置停車檢修時間短、現場空間不足等情況,現場抽芯實施極為困難,而且設備已使用8年之久,管束必然會有變形量的存在,如果進行抽芯,除了工程量極為龐大之外,更大的風險在于由于管束的變形導致抽芯無法完成,進而損壞管束(此種情況在同類型裝置的設備抽芯過程中出現過)。鑒于現場抽芯實施難度大、風險高,因此需要尋找其他方法來對缺陷進行修復。

5.2 最終修復方案

經過專業小組討論,最后決定不進行抽芯,采用局部更換的方式進行修復:對焊縫內表面出現腐蝕的兩節長度為200 mm的筒節進行更換,并且將材質升級為耐腐蝕性更好的304的不銹鋼。新制作的筒節的規格為內徑φ1 610 mm,筒節長度為500 mm(100 mm余量現場研配),厚度為16 mm,按對稱的兩片制作,縱、環縫加工出鈍邊1 mm,角度為30°的外坡口,環焊縫2道(B1、B2)、縱焊縫2道(A1、A2),筒節、焊縫、坡口示意見圖6。

圖6 筒節更換位置及尺寸示意

在低壓殼體的外壁標記兩條環向切割線和兩條縱向切割線,參見圖7標記位置,兩條環向切割線位于管板與直筒節連接焊縫及直筒節與斜錐連接焊縫的中心位置。另外,在管板表面和錐體表面上、下、左、右四個部位做出標記點,測量并記錄相關尺寸,確保筒節更換后高壓管箱的方位不變。先采用碳弧氣刨沿環向切割線逐層刨削,去除原焊肉,當剩余厚度約2 mm左右時,采用砂輪切割,斷開剩余的焊肉,縱縫的兩端(局部)可采用火焰切割。采用砂輪切割時,不得對低壓殼體內的換熱管造成損傷。切割前要對殼體采取固定措施,防止切下來的舊殼體突然墜落。

對坡口表面及邊緣20 mm范圍內著色檢查,確認無缺陷后清除殘留的顯像劑。在管板的切口部位及保留的原殼體切口部位內壁安裝厚度2 mm的襯墊板,用以保護管束在焊接過程中不會受到損傷,襯墊板與坡口根部點焊固定,焊接采用手工氬弧焊,所用焊絲牌號為ER309,規格為φ2.0 mm。分片組對新筒節,要求新筒節的兩條縱焊縫位于設備的兩側,兩條縱焊縫應與斜錐縱焊縫錯開100 mm。先組對下部的一片筒節,點焊固定后在兩條縱縫上安裝襯墊板,再組對上部的一片筒節。組對后的坡口型式見圖8。

圖8 短節焊接坡口型式圖

按焊接工藝規程對新焊縫進行焊接,采用手工氬弧焊打底2層,手工電弧焊填充4層。其中,環焊縫焊接焊絲牌號為ER309,焊條牌號為E309,縱焊縫焊接焊絲牌號為ER308,焊條牌號為E308。焊接完成后,進行無損檢測:PT+UT+相控陣,檢測結果合格。

最后按《固定式壓力容器安全技術監察規程》有關規定對設備進行殼程耐壓試驗,試驗用水氯離子含量小于2 mg/L,試驗壓力為設備殼程最高使用壓力的1.25倍,耐壓試驗合格。

6 結語

根據上述分析,本次缺陷出現的主要原因鎖定為兩個方面:一是焊縫內表面存在原始制造缺陷,導致焊縫處耐腐蝕性能下降;二是與舊設備相比,新設備在殼程和管程交接處直筒段的長度尺寸增加,導致空泡腐蝕效應加劇,在兩方面因素的共同影響下,焊縫缺陷迅速顯露出來,并越來越嚴重。

金屬腐蝕的危害是普遍且嚴重的,會直接影響到生產裝置的生產周期和設備壽命。在換熱器的使用中,不僅僅要關注高壓側使用情況,也要警惕低壓側出現的缺陷。另外,設備制造過程中焊接方式的選擇和焊接質量的把控非常關鍵,如果在設備制造時期即存在埋藏缺陷,后期運行中再對缺陷進行處理往往更加困難,工作量及風險都將成倍增長。因此,不管是新設備制造還是現場維修,嚴把焊接質量關是保護設備使用安全的重要手段。本次維修采用氬弧焊打底、電焊蓋面的方式進行。由于氬弧焊對焊接環境要求十分苛刻,所以焊前需嚴格清理焊接部位,打磨清根、清除水分、污垢,否則在焊接受熱后,容易產生氣孔缺陷,或者焊縫背面出現缺肉或者縮孔等缺陷,埋下運行隱患。

對于設備更新改造過程,如果涉及到設備尺寸變化或者增減部分構件的,應綜合考慮該變化可能帶來的后果,重新進行強度設計核算、腐蝕機理分析,而不是完全按照原始設計進行簡單的制造加工,以避免設備投用后產生意料之外的故障。

遺留問題:本次改造采用不銹鋼代替碳鋼,與相鄰焊接的碳鋼形成異種鋼焊接,當蒸汽品質出現波動時,后期可能會出現電偶腐蝕;另外,焊縫內側帶墊板,這個墊板是點焊的,如果上部空泡腐蝕是一個重要因素,蒸汽流存在對點焊的墊板形成沖蝕的可能。針對該問題,筆者會進一步跟進,待下一次檢修期間再次對上述兩處進行全面檢查,必要時,優化維修方案后進行再次修復。