液化石油气球罐裂纹的分析及处理.pdf

P E T R O C H E MI C A L S A F E T Y A N D E N V I R O N ME N T A L P R O T E C T I O N T E C H N O L O G Y 2 0 1 5年第 3 1 卷第3期 液化石油气球罐裂纹的分析及处理 乔桢遴 中国石化扬子石油化工股份有限公 司，江苏 南京 2 1 0 0 4 8 摘要 介绍 了扬子石化芳烃厂储运车间 2台液化石 油气球罐 的运行状 况，在装置停车 大检修检验过程 中发现裂纹，分析 了裂纹产生的原 因，指 出裂纹的产 生是加工高硫原 油后液 化 气中H s含量高，在湿 H ， s环境下的应 力腐蚀 引起。重点介绍 了球罐 消氢热处理方案，裂 纹的修复过程，阐述 了防止液化气球罐产生裂纹的对策及 防范措施。并提 出对原料进行脱硫 处理 ，对关键设备和管道等进行材质升级 改造，以保证在役液化气球罐的安全使用。 关键词 液化石油气球罐裂纹应力腐蚀防范措施 1 运行状况 中国石化扬子石油化工股份有 限公 司 以下 简称扬子 芳烃厂储运车间液化石油气球罐 V一 3 0 0 2 A ／ B ，容积 1 0 0 0 I n ，介质为液化石油气 ， 本体材 质 1 6 M n R，壁厚 4 4～4 6 m m，接 收 由于 9 5 0号单元不正常生产而产 生的液化气 和炼 油厂 生产的液化气 ，再经管廓 “ C ” 点返 回 9 5 0号单 元重新脱 硫处 理或 者作 为 2 1 0 0号 单元 的燃 料。 1 9 8 8年投入运行 ，同批 2台，属三类压力容器。 2 0 0 8年 4月芳烃厂委托南京市锅检院对其进行内 外部检验 ，发现 2个球罐 出现裂纹。球罐的主要 技术参数见表 1 ，结构形式见图 1 。 表 1 液化气球罐主要特性参数 设计压力／ M P a 1 ． 8 工作压力／ M P a i ． 3 设 计 温 度 ／ ℃ 一 1 0 - 5 0 工 作温 度 ℃ ⋯ -一 11 0 5 0 介 质 液 化 气 i 。容 m 3 l 0 0 o 腐 蚀 裕 度 ／ m 2 ． 3 - _ 1 2 15 1 0D j 公 称 直 径 ／ 镌 Ⅱ n 材 质 l 6 M n R 壁 厚 ／ 薯 4 4 。- 4 6 2 球罐裂纹的基本情况 2 ． 1 无损检测结果 芳烃 厂储运 车 间在 2 0 0 8年 4月 1日将 V - 3 0 0 2 A ／ B球罐工艺处理合格后 ，交给南京市锅检 院检测 。对 V 一 3 0 0 2 A ／ B球罐外表面进行打磨并做 M T磁粉检测 。4月 3日V ． 3 0 0 2 B外表面下温带检 图 1 液化气球罐 结构 测发现 1条浅表面裂纹 ，长 1 0 m m、深 1 m m，经 市锅检院检测人员打磨 、复检后确认消除。4月 6 日V ． 3 0 0 2 A ／ B球罐 内部开始打磨检测 ，检测过程 中发现罐体内表面存在浅表裂纹 ，随后市锅检院 扩大了检测范 围，对部分母材也进行 了检测 ，共 发现 5 7条表面裂纹 ，V． 3 0 0 2 A罐 l 6处 ，V 一 3 0 0 2 B 罐 6处 ，裂纹最长达 3 0 m m。 其中，检验 V ． 3 0 0 2 A球罐发现 1 下极板 拼缝 区域存 在 4处 裂纹 ，长 1 0～ 2 5 mm ； 2 下温带环焊缝区域及附近母材存在 l 4处 收稿 日期 2 0 1 41 2 2 4 。 作者简介乔桢遴，毕业于中国石油大学 华东 安全 工程专业，主要从事应急体系及安全技术管理工作，已 发表论文多篇，国家注册安全工程师，工程师。E m a i l q i a o z h l 01 ． y z s h s i n o p e c ． c o m 2 0 1 5年第 3 l卷第 3期 ★乔桢 遴 ．液化 石油气球罐 裂纹的分析及处理★ 裂纹 ，长 1 O一 3 0 m m； 3 赤道带纵焊缝 区域存在 2处裂纹 ，长 1 0 1 5 mm 。 V ． 3 0 0 2 B球罐经检验发现 1 下 极板 拼缝 区域存 在 4处 裂纹 ，长 8 2 5 mm ； 2 赤道带纵焊缝 区域存在 2处裂纹 ，长 1 0 2 0 mm 。 4月 1 2日决定先 由江杭 建设 工程公司对 V 一 3 0 0 2 A ／ B球罐所有裂纹进行打磨处理 ，然后再对 V ． 3 0 0 2 A ／ B球罐进行复检。结果仍然查 出有次生 裂纹，其中 V - 3 0 0 2 A罐下温带西北方向焊缝 、母 材上共发现 3 2处 ，V - 3 0 0 2 B罐焊缝上发现 3处 ， 经过会诊分析确定球罐存在延迟裂纹 。 2 ． 2 具体消氦部位 1 V． 3 0 0 2 A球罐下极板 环焊缝 、下 温带环焊 缝、Z 4 1 一Z 4 _ 2 0焊缝及 Z 4 _7 一Z 4 8母材。A罐 共 1 6个缺陷位置 ，具体位置如图 2所示。 缺 陷部位 图 2 V - 3 0 0 2 A球罐 缺陷部位示意 在 部位 2 V ． 3 0 0 2 B球罐下极板环焊缝 、下温带环焊 缝 、Z 4 ． 1 Z 4 - 2 O焊缝。B罐共 6个缺陷位置 ，具 体位置如图3 所示。 2 ． 3 球罐热处理技术方案 1 对 V ． 3 0 0 2 A ／ B球罐热处理采用履带式电加 热器方法 。 加热温度测量采用热 电偶 传热。加热必须均 匀 ，加热 的宽度应为焊缝 中心线两侧各取 3倍板 厚 ，且不少于 1 5 0 m m。后热温度测量应距焊缝中 心线 5 0 mm处 ，每条焊缝测量点不少于 3对。 2 球罐消氢热处理温度为 3 0 0 ，恒温 4 h ， 用保温棉保温 ，恒温后 自然空冷 。 存 在 陷部位 图 3 V- 3 0 0 2 B球罐缺 陷部位示意 3 球罐消氢热处理 完毕后 ，进行 复查检测 、 打磨 。 2 ． 4 球罐热处理电加热方法 1 现场使用 临时 电源接功率为 1 5 0 k W 配 电 箱 ，到 V 一 3 0 0 2 A ／ B球罐之间的部位。 2 加热使用温控柜有 9个 回路，三相电源每 相 3 个 回路 ，保证各相负载平衡。 3 每一回路可接 6块加热板 ，每块加热板规 格为 6 0 0 m m2 5 0 mm，功率为 5 K W，2块 串联 使用 。 4 为保证温度均匀 ，每 1个 回路应设 1个测 温点。测温用热电偶应 固定牢 固，接触 良好 。热 电偶与测温仪表之间采用补偿导线连接，且极性 不得接错。 5 加热板按环缝的 1 ／ 4对称均布 ，0 9 0 q C、 1 8 0～ 2 7 0 o C第一次加热 ；9 0一f 8 0 o C、2 7 0～ 0 c I 第二次加热 。 6 为确保恒温温度 的均匀性及热透性 ，在被 加热焊缝的背面 罐 内 进行保温 ，保温厚度不小 于 1 0 0 mm。 3 球罐热处理后检验结果 2 0 0 8年 5月 2日V． 3 0 0 2 A ／ B球罐热处理打磨 完毕 ，表面浅裂纹彻底修复 ，本次热处理后磁粉 检测合格。5月 4日由南京市锅检院进罐做荧光 磁粉复查 ，确认合格。 4 球罐缺陷返修后金相分析 经过南京工业大学失效分析与预防研究 中心 对 V ． 3 0 0 2 A球罐焊缝一处 、母材一处做金相处理 分析 ；对 V ． 3 0 0 2 B球 罐焊 缝二 处 做金 相处 理分 析 ，结果显示 球罐母材和焊缝材料 的金相组织 ★石油化工安全环保技术★ 2 0 1 5年第3 1 卷第3期 没有 问题 。 5 球罐气压试验及气密 1 使用 1台 1 0 m ／ ra i n 空压机进行气压作 业。球罐封罐前安装就位。 2 球罐封罐后 ，从球罐下部切水管线法兰接 2寸的管线到空压机。 3 用 2根 2寸 的金属软管 分别从 V ． 3 0 0 2 A ／ B 罐下部单法兰处引 N ，充压到0 ． 1 5 MP a 。做低压 气密，检查焊缝 、法兰的泄漏情况。 4 继续充压 到 0 ． 6 M P a ，保压 3 0 ra i n ，观察 有无异常情况 ，检查法兰泄漏情况。 5 关闭单法兰 阀门，拆除金属软管。 6 开动柴油空压机对 2个球罐整体升压 ，升 压过程严格按 压力容器定期检验规则 的要求 1 0 ％ 逐级 升压 。 7 在最高工作压力 1 ． 3 MP a时，停 2 h做 高 压气密 ，检查系统 中每 道法兰 ，确保所 有 阀门、 法兰无泄漏。 8 升 压 至试 验 压 力 1 ． 4 9 5 MP a 1 ． 31 ． 1 5 MP a ，保压 1 0 h ，再次做气密 ，确保无泄漏 。 9 请南京市锅检院对球罐气压试验及气密情 况进行复验。复验合格后卸压。 6 球罐裂纹成因分析 6 ． 1 球罐应力腐蚀机理分析 近年来 ，随着原油 品质的进一步劣化 ，扬子 炼油厂加工进 口中东高硫原油的量不断增加 ，生 产出来 的 L P G中 H ， S的含量明显增高 ，导致在湿 H s环境下工作 的一些碳钢设备及管道 的应力腐 蚀裂纹发生率明显上升。球 罐裂纹 的产生 ，首先 具有了由于液化气 中含有的 H S 、H 0所创造 的 [ H]源 ，在罐 体 内表 面产生腐蚀 坑与氢 致脆化 层 ，而后随着蚀 坑 的加深及脆 化层厚度 的增加 ， 在应力 的共 同作用下 ，蚀坑底部和边缘将首先形 成微裂纹。微裂纹前端将形 成应力集 中，在应力 诱导下 ，氢 将 向裂 纹前 端 的应力 集 中区扩 散浓 集 ，当此部位氢 的浓度达到临界值时 ，在应力 的 作用下 ，就会发生启裂和微裂 的相应扩展。其后 氢又不断地 向新 的高应力集 中区扩散 ，这种过程 可周而复始断续进行 ，直至成为不连续 的平行于 焊缝 的纵 向表 面 微 裂 纹 形 态 J 。据 1 9 9 7年 至 1 9 9 8年所收集的部分失效设备来看 ，与湿 H S环 境有关的腐蚀开裂占 2 5 ％ ～ 3 0 ％l 2 』 。对 国内多家 石化企业 的 L P G球罐开罐检查均发现 ，在球罐 内 存在大量的应力腐蚀裂纹 ，这是影 响安全生产的 潜在危险。因此 ，探讨 液化气球罐在含有湿 H s 的 L P G环境下发生腐蚀开裂 的机理 ，对 已发生裂 纹的球罐制定正确 、有效 、经济的修复措施迫在 眉睫。 6 ． 2 球罐在湿 H S环境下的失效主要原因分析 1 球罐大多是 由低合金高强钢制成 ，这些钢 都具有比较高的许用应力 ，在含有 H S的环境条 件下诱发裂纹 的敏感性较高 ，并且容易在钢 内部 扩展 ，从而导致容器破裂失效。有些厂家为 了减 轻球体重量及节约制作 费用 ，则尽量减少容器的 壁厚 ，更加剧 了裂纹的形成和扩展。 2 球罐内盛装 的是 L P G，若 L P G中的 H S含 量超标 ，就很容易与水分一起构成设备开裂 的湿 H ， S环境 ，从而引发硫化物应力腐蚀破裂 ，其 中 应力腐蚀破裂被认为是高强低合金钢制成 的 L P G 球罐早期失效 的主要形式。 3 H， S与裸露 的金属发生反应易引起金属的 脆化 ，钢 内 s 、P等有害杂质 的偏 析、非均 质带 状结构的存在 、非金属夹杂物 M n S都可能加速裂 纹 的扩 展 ，并 且 ，随着 球 罐 使 用 时 间 的延 长， L P G中有较高浓度 的 H S存在 ，这也会加快裂纹 的扩展速度 ，最终导致设备 的失效破坏。 7 防止液化气球罐发生裂纹的对策 1 隔绝腐蚀环境 。在液化气球罐 内壁与腐蚀 介质之间设置隔离层。考虑 H S含量超标是导致 球罐应力腐蚀裂纹的主要原 因，故对球罐 内表面 采取喷涂铝层后刷富锌涂料隔层 的方法，将腐蚀 源与球罐金属表面完全 隔开 ，使其失去产生应力 腐蚀的环境 ，从 而避免形成表面裂纹。特别是对 于容易产生应力腐蚀表面开裂 的焊缝及热影响区 部位 ，只要选择的涂层材料及厚度合适就能完全 避免应力腐蚀裂纹 的产生。 2 严格控制进入球 罐 中液化气 的 H S浓度 ， 使 H ， S质量浓度不超过该材料制球罐 的临界质量 浓度。选用强度较低 的钢材。因为对于任一钢种 都存在一种 H s体积分数的临界值 ，只要其浓度 低于该临界值 ，就不易产生应力腐蚀 开裂 。当然 2 0 1 5年第 3 1 卷 第 3期 ★乔桢遴 ．液化石 油气球罐裂纹 的分析及 处理★ 该临界值的大小与该材料 的强度与硬度有关 ，所 以，日本 高 压 气 体保 安 协 会 制 定 的 1 9 8 0年 版 高强度钢使用标 准就 明确规定 ，对 于屈服强 度 6 4 6 0～ 5 0 0 M P a的钢材 ，要求介质 的 H S 浓度要低 于 5 0～1 0 0 x 1 0 m g ／ L；日本 C F 6 2 钢制设备要求介 质 中 H S的浓 度低于 2 01 0 m g ／ L 。进一步推进装置加工高硫油 的改造 工程 ， 加氢裂化装置增设循环氢脱硫装置 ，对原料进行脱 硫处理 ，对关键设备和管道等进行材质升级改造。 3 对容器进行焊后热处理，消除焊接残余应 力 ，从而提高其抗应力腐蚀的能力。我 国 钢制 压力容器 G B 1 5 0 1 9 8 O 亦要求有应力腐蚀 的 压力容器应进行焊后热处理 ，以适当降低材料强 度及表面硬度，消除焊接残余应力，特别是对表 面硬度要限制在一定范围，要求 H R C 2 2 。 4 采取阴极保护 。从 电化学原理考虑 ，应力 腐蚀属于阳极溶解的机理。因而可 以采用阴极保 护方法避免应力腐蚀 。常用 的阴极保护方法有两 种 ，一种是外加电流提高被保护金属 的电位 ，另 一 种是增加牺牲阳极 以达到保护球罐金属不产生 应力腐蚀的效果。在球罐内表面刷富锌底漆，既 经济又实用 ，是经常采用的防腐方法 。 5 利用大修停车期间进行 喷丸处理。对易产 生应力腐蚀的焊缝部位采用 喷丸处理 ，使球罐内 壁焊缝表面产生压缩 内应力 ，没有拉伸应力的表 面即便有腐 蚀介质 环境 ，也 不会产 生应力 腐蚀 开裂。 6 定期组织对设备 、管线 的检测 ，做好风险 评估工作 ，重点对管道、设备的均匀腐蚀减薄量 及非均匀腐蚀应有可靠的数据记 录分析 ，制定出 特护防范措施。 参考文献 [ 1 ] 田力，曲守国，殷乃 勋．液化石油气球罐 裂 纹 成 因 分析[ J ] ． 焊接 ，2 0 0 4 1 0 4 4_ 4 7． [ 2 ] 唐建群 ，张礼敬，张显程 ，等．L P G秋罐 应力腐蚀分析 [ J ] ． 南京 工业大学 学报． 2 0 0 3 ，2 5 1 8 4 8 8 ． [ 3 ] 刘伟芳 ，麦郁稳．球罐应力腐蚀开裂分析 及 防止 对 策 [ J ] ．石 油化 工设 备 技 术． 2 0 0 5 ，2 6 5 5 3 5 5 ． 篷 石化污染物排放 国标 2 0 1 5年 7月实施煤化工标准仍未 出台 2 0 1 5年第二季度，国家环境保护部公告发布 石油化学工业污染物排放标准 G B 3 1 5 7 1 _2 0 1 5 以下简称 标准 。标准规定了石油化学工业企业及其生产设施的水污染物和大气污染物排放限值、 监测和监督管理 要求。 标准要求，新建企业自2 0 1 5 年7月 1日 起，现有企业 自2 0 1 7年7月 1日 起，其水污染物和大气污 染物排放控制按本标准的规定执行，不再执行 污水综合排放标准 G B 8 9 7 8 --1 9 9 6 、 大气污染物 综合排放标准 G B 1 6 2 9 7 --1 9 9 6 和 工 业炉窑 大气污染物排放标准 G B 9 0 7 8 -- 1 9 9 6 中的相关 规定。 亚化咨询注意到，标准 中明确定义 “ 石油化 学工业” 是 以石油馏分、天然气等 为原料，生产有机 化学品、合成树脂、合成纤维、合成橡胶等的工业。意味着适用于 以煤 气化为龙头、合成气为主要中 间产品的现代煤化工行业的污染物排放 国标仍未 出台。亚化咨询认为，标准 中关于 大气污染物排放 限值部分，并未包括二氧化碳，说明二氧化碳不属于大气污染物。但未来如果对煤化工行业征收碳 税 ，将极大影响煤化工项 目的经济性。 摘 自亚化咨询 2 0 1 5 - 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