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关于我

毕业于机械专业,中级职称,无损射线探伤Ⅱ级证,熟悉压力容器设计、制造的相关法规和标准。 撑握压力容器制造许可的鉴定评审工作,ISO9000--2001鉴定评审工作。曾担任董事长助理、副总经理、压力容器质保工程师等职务,现任副总经理。

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管壳式不锈钢原油加热器SCC裂缝分析  

2010-01-10 08:11:02|  分类: ◆职业技能◆ |  标签: |举报 |字号 订阅

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来源:宝丰钢业集团

我国原油多为易凝、高黏原油,为解决其流动性差,难于输送的问题,油田多利用其地热资源而采用加热输送工艺;用地热水加热原油。管壳式换热器由于其技术成熟、承载能力强等诸多优点而被广泛采用。但是,原油有较强的腐蚀性,原油中的有机硫化物包括硫醇、硫醚、多硫化物等,受热分解出大量硫化氢甚至元素硫,对设备有较强的腐蚀性,存在严重的湿H2S应力腐蚀.因而设备正常使用寿命不长,一般不超过两年 多处焊缝即发生开裂,以致发生渗漏,渗漏严重时,整台设备必须报废更换。

以石家庄市石换换热环保有限公司生产的管壳式换热器BFM800-2.5-80-2000/19-2/2为例,主体材质,壳程简体为16MnR (正火),管板为16MnⅡ锻件,换热管为304不锈钢管。壳程介质为水,管程为油,设备使用9个月后检查发现,管板与换热管的焊缝多处存在裂纹,有几处管桥裂开,设备无法修复作报废处理。经分析,管板开裂原因为,原油加热后产生的H2S导致应力腐蚀开裂。

(1)湿H2S应力腐蚀致裂(SCC)的原理; 应力腐蚀是一个很复杂的问题.致裂机理至今没有完全搞清楚。一般公认的主要有两种原理,一是电化学应力腐蚀开裂机理;二是机械破损应力开裂机理。这里仅结合本文论题,介绍湿H2S应力腐蚀至裂机理。加热原油中含有一定量的H2S,同时含有水分,H2S在水中离解为离子态,与金属铁结合为硫化亚铁,这一化学过程在金属表面存在拉应力和微破损的情况下最易加速发生。同时在拉应力作用下,破损加深使露出的铁被硫离子继续腐蚀而使裂纹扩展,如此反复循环使裂纹不断扩展,从而导致湿H2S应力腐蚀开裂。应力腐蚀有一定的规律性,首先要有应力存在(必须为拉伸应力),其次材质与介质有一定的匹配性,湿H2S介质对高强度钢,高硬度钢,高合金钢种更加敏感,而对纯金属不敏感。16Mn材料和不锈钢材料均属于对应力腐蚀比较敏感的材料。另外,应力腐蚀对不同应力种类亦有不同的敏感程度。有统计表明,在应力腐蚀造成的事故中焊接残余应力引起的事故占32%,温差应力占15%,扩管加工残余应力占4%,操作应力占6%等等。

(2)应力腐蚀裂纹的防控影响应力腐蚀的因素是多方面的,因而防治途径也是多方面的。本文结合列管式换热器从设计、制造工艺、使用管理等方面谈防控的几点意见。

①设计方面:不锈钢管厂设计人员应充分考虑到介质与材料的相容性,《压力容器安全技术监察规程》(99版)条文解释(四)和HG20581-1998《钢制化工容器材料选用规定》中均有专节(使用介质的限制)提出具体要求。另外在设计计算中应充分注意各项指标——强度和经济性。尽量不要使受压元件的有效厚度太小,以致使其应力水平过于接近许用极限值。本例中。之所以没有将管板采用不锈钢材质,而是将管板的厚度由原设计为50 mm增加到80 mm,就是从经济方面考虑。经过此种改进可使其最大应力降低32%。而筒体因未发现裂纹,可不增加厚度。

②制造工艺方面:在材料选用方面,湿H2S介质对16Mn比较敏感,控制材质的碳当量、硬度等对应力腐蚀敏感的指标有一定的难度,选材时可考虑20号材质。对碳当量进行复验确保碳当量符合限制要求。换热管的材质选择从防控应力腐蚀角度,应优先选用抗腐蚀的不锈钢管时,要充分考虑到这种组合将给焊接带来的困难。在管板车削加工方面,要尽量减少加工硬化和表面划伤. 管板与换热管的连接是此类设备质量控制的关键,原设备管板与不锈钢换热管的连接方式为强度焊,由于碳钢与不锈钢在热膨胀率、合金元素体系等诸多性能上存在较大的差异,此异种钢的焊接接头必然存在较大的焊接残余应力,这种焊接接头的焊接应力是很难消除的,去应力热处理也难于消除,并且热处理有可能反而使应力增加。且这种接头在工作时本身就会产生热应力。所以在这次设计中,管板与换热管的连接采用胀接。管子的胀接会产生冷作应力,但胀接接头的破坏对管板危害小,导致的事故率低(据统计,焊接接头应力腐蚀事故率为4%)液压胀比机械滚珠胀效果好,应力低,应尽量采用液压胀。总之,强度胀优点明显,即便是在需要结合密封焊时,对焊接接头也不再要求等强度,只要求抗腐蚀性和韧性,给焊材的选用带来了空间。 近年来,有种表面防护工艺得到应用。由于纯金属耐蚀性好,在焊接好的管板表面喷涂铝、镁等纯金属防护层,能有较好的防护效果。

③使用管理方面:加强使用管理,合理使用设备。必要时在设备前增加原油处理工序(脱硫、脱水),减少原油的有害杂质,从而对设备起到保护作用。在设备停用时,要进行干燥处理,进行充氮密封保护等。另外说明,当在碳钢表面附着的FeS与空气中的氧大量接触时,能放出大量的热能,在通风不良的情况下有自燃的危险要注意防止火灾的发生。

(3)使用效果基与上述几点,我们将原管板16MnⅡ锻件,改为20锻,并将厚度由50 mm增至80 mm:管板与换热管由异种材料的焊接改为强度胀。经过近1年的使用,未见异常,说明改进达到了预期目的。

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