齐巍巍1 刘建龙2 张凌毓1
1.中国石油华北石化公司 四联合运行部 河北任丘 062550；
2.中国石油华北石化公司 质量安全环保处 河北任丘 062550
摘要：针对华北石化公司220万吨/年柴油加氢精制装置高压空冷器开工过程中管束管头焊接接头发生开裂引起介质泄露的现象，各相关单位从设计、制造、检验、安装、开工使用等方面进行了调查分析。采用金相分析、化学成分分析、拉伸试验、断口能谱分析等测试手段，分析了接头处开裂原因。结果表明，管头焊缝在催化剂硫化过程中发生了硫化物应力腐蚀开裂，焊后消除应力热处理并没有起到降低焊接接头硬度和有效消除焊接残余应力的作用。
关键词：柴油加氢装置，高压空冷器，焊接接头，泄露，原因分析
Cause analysis of high-pressure air cooler leakage in diesel hydrotreating unit
Qi WeiWei1，Liu JianLong2，Zhang LingYu1
(1.PetroChina North China Petrochemical Industries Co. The fourth joint operation department, Renqiu 062550, China; 2.PetroChina North China Petrochemical Industries Co. Quality safety and environmental protection division, Renqiu 062550, China)
Abstract: In view of the phenomenon of medium leakage caused by cracking of tube bundle head welding joint in high pressure air cooler of 2.2 million tons / year diesel oil hydrofining unit in PetroChina North China Petrochemical, the relevant units investigated and analyzed the problems from the aspects of design, manufacture, inspection, installation and operation. By means of metallographic analysis, chemical composition analysis, tensile test and fracture energy spectrum analysis, the cracking reason of joint was analyzed. The results showed that the sulfide stress corrosion cracking occurred in the process of catalyst sulfurization, and the post weld stress relief heat treatment did not reduce the hardness of the welded joint and effectively eliminate the welding residual stress.
Key words: Diesel hydrotreating unit; High pressure air cooler; Welded joint; Leakage; Cause analysis
1 背景介绍
中国石油华北石化公司220万吨/年柴油加氢精制装置共有空冷器17片，其中热高分空冷器4片，管箱材质为345（R-HIC），入口内衬350mm S31603不锈钢衬管。该装置按开工计划统筹图节点向循环油中注入硫化剂DMDS，在催化剂为230℃恒温硫化期间，当检出硫化氢浓度为17000ppm时，巡检人员发现热高分空冷器泄露，此时，装置紧急停工并停止注硫。当日对所有空冷器可观察到的丝堵、法兰及设备底部进行了全面排查，发现热高分空冷器存在不同程度泄露。
2 检测分析
2.1 宏观及低倍观察
对失效样品进行宏观检查，未见有明显的腐蚀及变形情况。对样品进行MT检测，样品上共有8个管头的角焊缝有裂纹，裂纹均位于管箱的最下一排，有径向，也有环向，基本在焊缝金属上。
2.2 剖面检查
沿管接头的4个方位轴向剖开，对4个剖面进行抛光和侵蚀后可观察到管头焊接接头的宏观形貌及管子与管板胀贴效果。解剖表明：失效样品管板与换热管之间存在因欠胀产生的缝隙。
2.3 化学成分分析
分别对管头角焊缝、管板和管子材取样进行化学成分分析，分析结果表明：取样部位的管板和管子母材的化学成分均满足相关标准的要求，并与设计选材相吻合。焊缝金属与母材相匹配。
2.4 金相分析
从样品上选取三处焊接接头进行金相分析，其中：两处为管头的焊接接头，一处为管板与管箱相连的焊接接头。一处管头金相试样编为JXl（与管板表面齐平）；另一处管头金相试样编为JX2（沿管子轴向剖开）；管板与管箱焊接接头金相试样编为JX3（与焊缝垂直剖开）。
JXl裂纹位于管头的角焊缝上，有径向也有环向，裂纹以穿品扩展为主，局部有分支。
JX2裂纹位于管头角焊缝上，与管子的方向平行，裂纹是由管头角焊缝管板侧熔合线处启裂，向管板焊缝热影响区扩展，裂纹主要以穿晶扩展为主。
2.5 硬度测试
分别对管头角焊缝的焊接接头和管板与管箱相连的焊接接头进行硬度测试，测试结果显示管头角焊缝和管扳侧热影响区的硬度较高，管头角焊缝硬度最高为310.3HV，管头管板侧热影响区最高为372.5HV，其他测试部位的硬度基本属正常。
2.6 断口分析
对管头焊缝裂纹打开观察其断口的宏观及微观形貌。打开后的断口颜色均呈深褐色，断裂面基本位于焊缝金属上，较平，腐蚀相对较严重，裂纹不仅在管头焊缝上有，在管子和管板侧的母材上也有。两个断口均具有脆性开裂特征。对清洗厉的断口在扫描电镜下进行观察，断口主要呈脆性解理断裂，在管板和管子侧的热影响区上均出现沿晶开裂特征。
对断口上的腐蚀产物进行能谱分析，分析结果表明：两个断口表面主要腐蚀性元素有O和S，其中S元素最高为21.21%。对裂纹缝隙内的腐蚀产物进行能谱分析，分析结果表明：裂纹缝隙内主要腐蚀性元素也是O和S，其中S元素最高为31.00%。
3 综合分析
试验分析结果表明：发生开裂的管头角焊缝硬度较高（最高达372.5HV）、金相组织中观察到淬硬马氏体、裂纹及断口形貌均具有应力腐蚀开裂特征，能谱分析断口表面及裂纹处有较高的S元素，具有较典型的SSCC特征。
从硫化循环回路可见，发生开裂高压空冷器在硫化循环回路中。由于硫化过程中硫化剂和催化剂在反应器中反应会产生硫化氢和水，并随硫化油从反应器底部流出后带到回路中的相关设备和管道中，因此会在相关设备和管线内形成湿硫化氢腐蚀环境。由于加氢装置反应及分馏单元设备及管道设计时都采取了预防SSCC的措施，因此一般不会发生SSCC。对高压空冷器而言，在正常运行中由于进空冷器要进行注水，虽然也存在湿硫化氢腐蚀环境，但因注水量非常大，因此环境苛刻度较小。而在硫化期间，由于水少且硫化氢浓度高，因此水中的硫化氢浓度基本上处于饱和状态，所以硫化期间的湿硫化氢环境要比正常运行时更为苛刻。本装置的高压空冷器虽然设计要求需对空冷管与管箱连接角焊缝部位进行焊后消除应力热处理，制造厂也提供了热处理记录。但从对开裂焊缝的检测结果来看，焊缝热影向区硬度到达372.5HV，明显超出防止SSCC的硬度控制要求（225HV），也就是说热处理并没有起到有效降低焊接接头硬度消除焊接残余应力的作用。这可能与管箱部位因结构原因热处理均温和保温难度较大有关。
4 结论
基于上述分析认为，高压空冷器管头焊缝在催化剂硫化过程中发生了硫化物应力腐蚀开，焊后消除应力热处理并没有起到降低焊接接头硬度和有效消除焊接残余应力的作用，导致焊接接头对SSCC敏感性高是主要原因。
参考文献
1刘伟，宣征南，冀晓辉．基于CFD的高压空冷器腐蚀失效分析［J］．炼油技术与工程，2008，38（3）：44-47．
2魏轩总．加氢高压空冷器材料损伤分析［J］．石油化工设备，2009，38（2）：81-85．
3李建国，白建军，向凯．空冷式换热器翅片管腐蚀失效分析［J］．石油化工设备，2008，37（增）：73-75．
[作者简介] 齐巍巍，女，河北任丘人，技师，主要研究方向炼油技术与工艺。
[通讯作者] 刘建龙，男，河北任丘人，硕士研究生，工程师，主要研究方向为炼油技术与化工三废治理。