炼化公司酸性水汽提装置换热器浮头螺栓断裂分析及避免措施

炼化公司酸性水汽提装置换热器浮头螺栓断裂分析及避免措施

1、使用情况

       某硫磺64万吨/年酸性水汽提单元在28个月的时间里，只有装置开2次4个月，而且是相隔9个月。检修发现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。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℃。

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1                                      图2

         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。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。

        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质偏碱性的同时设备内不存在湿硫化氢，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，这样材质的硬度见下来了，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。

分析结果显示，换热器浮头螺栓断裂的主要原因可能在于设备内部的介质组成和螺栓材质的选择。由于设备内部的原料水含有H2S、NH3，CO2、CN－，酚和油等多种介质，且PH值在10±5，这种介质环境下，会对螺栓产生腐蚀，尤其是在原料水的温度为65-70℃的条件下，可能加剧了这种腐蚀现象。

此外，螺栓本身的材质和硬度也可能是导致断裂的原因之一。由于螺栓选用的是40Cr钢，该材质的碳含量为0.4%，HB硬度为317，属于高硬度钢，存在较高的应力腐蚀倾向。

所以，为了避免这种情况，建议采取以下措施：
1. 改变螺栓的材质，选用硬度较低、韧性较好的30CrMoA替代40Cr钢，可以降低其应力腐蚀的风险。
2. 设备停工后，拆除前后管箱，松开浮头螺栓，降低螺栓的拉应力，进一步减少应力腐蚀的可能。
3. 对换热设备进行定期的维护和检查，确保设备的正常运行，减少因设备故障引发的螺栓断裂情况。
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