腐蚀与防护案例-----石化酸性水汽提换热器浮头螺栓断裂分析及改进措施

石化酸性水汽提换热器浮头螺栓断裂分析及改进措施

1、使用情况

       某石化硫磺64万吨/年酸性水汽提单元，在28个月的时间里，只使用2次4个月，每次使用相隔9个月。在检修期间，发现E-401、404、406、408D、409、415的6台换热器浮头螺栓，分别有20条、5条、12条、5条、4条、5条断裂。

2、断裂分析

        2.1断裂形态

        从螺栓断裂的外管看，在螺纹的螺根部垂直螺栓中心线的横截面断裂的。从断口上看属于脆性断裂。没有发现横截面减小，说明断裂的同时没有发生缩性变形，见图1、图2、图3。

       2.2 断裂分析

       换热设备的操作条件和螺栓参数见表1和表2。

表1                                     操  作  条  件
序号	工艺编号	设 备 名 称	规格 型号	温度℃		介　　质			压力Mpa
				管	壳		管	壳	管	壳
1	E401	原料水冷却器	BES700-2.5-120-6/25-4I	30	65		循环水	原料水	0.3	1.45
2	E404	分凝液冷却器	BJS600-2.5-90-6/25-2I	30	116		循环水	分凝液	0.35	0.15
3	E406	净化水原料水二次换热器	BES800-2.5-145-6/25-6I	68.1	132.1		原料水	净化水	1.1	0.45
4	E408D	净化水原料水一次换热器	BES800-2.5-160-6/25-4I	122	146.6		原料水	净化水	1	0.5
5	E409	净化水原料水三次换热器	BES600-2.5-85-6/25-4I	40.3	112.8		原料水	净化水	1.2	0.4
6	E415B	净化水冷却器	BES800-2.5-170-6/25-2I	30	60		循环水	净化水	0.3	0.33

表2                           螺 栓 参 数

序 号	工艺 编号	设  备  名  称	规	格 型 号	材质	总数量（套）	断裂  数量（套）
1	E401	原料水冷却器		M20×250	40Cr	40	20
2	E404	分凝液冷却器		M20×210	40Cr	24	5
3	E406	净化水原料水二次换热器		M20×250	40Cr	40	12
4	E408D	净化水原料水一次换热器		M20×250	40Cr	40	5
5	E409	净化水原料水三次换热器		M20×210	40Cr	28	4
6	E415B	净化水冷却器		M20×250	40Cr	40	5

       因硫磺汽提装置原料水含有H2S、NH3，还含有CO2、CN－，酚和油等多种介质，PH值在10±5，原料水的温度为65-70℃。碳钢在这种的操作条件工作，碳钢的金属表面腐蚀比较厉害。其腐蚀形式为电化学腐蚀，易在焊口及金属母材受弯曲力等部位出现应力腐蚀开裂现象。也就是说在同一环境下HB的硬度高的比硬度低的容易腐蚀，硫磺酸性水罐的罐壁板焊道存在的应力的腐蚀而罐壁母材不存在腐蚀这一现象可以说明【1】。其腐蚀原因为：

        由于H2S溶解于水中，与金属发生腐蚀反应

        H2S  + Fe  － FeS + H2 ↑

        FeS 与HN3反应能够生成HN3HS沉积于金属表面，并产生垢下腐蚀。在有应力集中的部位还会引起硫化物应力腐蚀开裂（SCC）。

         H3N＋H2S － NH4HS

         氨极容易溶于水（溶解度体积比700：1），氨和水结合，在低温的条件下生成比较稳定的晶体水合物NH3。H2O。但其熔点较低－78.85℃，其电解式如下：

        NH3。H2O－NH4＋＋OH－

        产生离子和电解液，形成电化学腐蚀。再加上硫化氢以及氨的共同作用而使腐蚀加剧。当有氰化物（CN－）时，在PH值大于7.5时，开裂随介质中CN－浓度增加而增加。当HN3HS与H3N反应时：

        HN4HS＋HN3－（HN4）2S  

        硫化氨（HN4）2S能使H2S在水中的溶解度**增加，提高了HS－浓度。

因为螺栓无论设备停止使用还是正在使用，都是锁紧状态。这说明这些螺栓始终都存在拉应力。另外现在正在用的螺栓材质为40Cr钢，含碳量为0.4%左右。HB硬度为317，属于高硬度钢。所以存在较高的应力腐蚀倾向【2】。

        另外，对于停工装置如果不进行保护措施，设备的腐蚀比连续开工时要厉害得多。其主要原因是停工过程中存在较多的空气，空气与设备内的有害介质氧化生成的物质可以较强的腐蚀设备。

        所以说，造成螺栓的断裂是因为，螺栓本身存在拉应力。设备内的PH值偏碱性的同时设备内存在湿硫化氢，装置开工停工这一外部条件存在。两者的复合作用的结果造成。

3、解决措施

       根据以上分析为了解决螺栓的应力腐蚀断裂问题可以采取以下方法：

       ⑴原设计采用的螺栓材质为40Cr的，HB硬度为317，硬度太高，不适合。本次建议选用螺栓材质为30CrMoA，目的降低碳含量增强韧性。HB硬度229，降低了88，加工要求HB硬度不大于200，这样材质的硬度降下来了，韧性增加了。这样可以增加抗应力腐蚀的能力。

       ⑵建议装置停工后，拆除前后管箱，浮头螺栓松开。这样做可以消除螺栓的拉应力。避免了螺栓的应力腐蚀。另外，换热设备拆除前后管箱达到通风条件，同时可以降低管束的腐蚀。

       通过这样的处理后，避免了螺栓的应力腐蚀的断裂。

⑵建议装置停工后，拆除前后管箱，浮头螺栓松开。这样做可以消除螺栓的拉应力。避免了螺栓的应力腐蚀。另外，换热设备拆除前后管箱达到通风条件，同时可以降低管束的腐蚀。
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为什么要拆除？
松开不就可以了
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给螺栓进行防腐是否可以降低腐蚀？

多谢楼主分享

沙漠里的游鱼 发表于 2020-5-24 13:36
⑵建议装置停工后，拆除前后管箱，浮头螺栓松开。这样做可以消除螺栓的拉应力。避免了螺栓的应力腐蚀。另 ...

       如果说只是上面我介绍的酸性水汽提中换热器运行会造成“换热器浮头螺栓的应力腐蚀断裂”存在这一唯一因素，换热器停运后把螺栓松开就可以避免应力腐蚀。
      但是还有一因素这里我没有介绍。就是换热器如果较长期的停用，会造成换热器管束的及壳程内壁的腐蚀，有的还相当厉害。必须进行防腐蚀处理。比如可以向管程和壳程中充填氮气保持一定的压力或添加一定的保护剂等，但是实际使用证明效果不好。
       所以，拆除前后管箱，浮头螺栓松开。做好管束通风干燥，可以避免腐蚀，这样效果较好。

王巍2 发表于 2020-05-25 09:41


       如果说只是上面我介绍的酸性水汽提中换热器运行会造成“换热器浮头螺栓的应力腐蚀断裂”存在这一唯一因素，换热器停运后把螺栓松开就可以避免应力腐蚀。<br />      但是还有一因素这里我没有介绍。就是换热器如果较长期的停用，会造成换热器管束的及壳程内壁的腐蚀，有的还相当厉害。必须进行防腐蚀处理。比如可以向管程和壳程中充填氮气保持一定的压力或添加一定的保护剂等，但是实际使用证明效果不好。<br />       所以，拆除前后管箱，浮头螺栓松开。做好管束通风干燥，可以避免腐蚀，这样效果较好。

谢谢详细说明


不过如果必须拆除

那么就正好对螺栓做一个处理

果然是大师

沙漠里的游鱼 发表于 2020-5-25 09:50
谢谢详细说明

是的。