丙烯腈装置中反应气体冷却器用热电偶套管的泄漏原因_李静.pdf

D O I:1 0.1 1 9 7 3/f s y f h-2 0 2 2 1 2 0 0 5丙烯腈装置中反应气体冷却器用热电偶套管的泄漏原因李 静1,2,刘文娟3,师红旗4(1.浙江大学化学工程与生物工程学院生物质化工教育部重点实验室,杭州 3 1 0 0 2 7;2.浙江大学衢州研究院,衢州 3 2 4 0 0 0;3.南京工业大学材料科学与工程学院,南京 2 1 1 8 1 6;4.宿迁学院信息工程学院,宿迁 2 2 3 8 0 0)摘 要:某丙烯腈装置反应气体冷却器热电偶套管在使用过程中发生泄漏。采用宏观观察、化学成分分析、显微组织观察、显微硬度测试、扫描电镜和能谱分析等方法,分析了该热电偶套管泄漏的原因。结果表明:该热电偶套管的开裂形式为应力腐蚀开裂,其泄漏的主要原因是套管热影响区和母材区的表面状态和显微组织差异产生应力,在硫化氢和氯化物共存的环境中,在热影响区优先形成应力腐蚀裂纹,裂纹沿着晶界向母材扩展,从而在套管与法兰凸台的焊缝连接处发生开裂,最终导致热电偶套管在使用过程中发生泄漏。关键词:丙烯腈装置;热电偶套管;应力腐蚀开裂;3 1 6 L不锈钢中图分类号:T G 1 7 4 文献标志码:B 文章编号:1 0 0 5-7 4 8 X(2 0 2 2)1 2-0 0 3 0-0 5L e a k a g e R e a s o n o f T h e r m o c o u p l e B u s h i n g i n R e a c t i v e G a s C o o l e r i n A c r y l o n i t r i l e P l a n tL I J i n g1,2,L I U W e n j u a n3,S H I H o n g q i4(1.K e y L a b o r a t o r y o f B i o m a s s C h e m i c a l E n g i n e e r i n g o f M i n i s t r y o f E d u c a t i o n,C o l l e g e o f C h e m i c a l a n d B i o l o g i c a l E n g i n e e r i n g,Z h e j i a n g U n i v e r s i t y,H a n g z h o u 3 1 0 0 2 7,C h i n a;2.I n s t i t u t e o f Z h e j i a n g U n i v e r s i t y-Q u z h o u,Q u z h o u 3 2 4 0 0 0,C h i n a;3.C o l l e g e o f M a t e r i a l s S c i e n c e a n d E n g i n e e r i n g,N a n j i n g T e c h U n i v e r s i t y,N a n j i n g 2 1 1 8 1 6,C h i n a;4.S c h o o l o f I n f o r m a t i o n E n g i n e e r i n g,S u q i a n U n i v e r s i t y,S u q i a n 2 2 3 8 0 0,C h i n a)A b s t r a c t:T h e t h e r m o c o u p l e b u s h i n g o f r e a c t i o n g a s c o o l e r i n a n a c r y l o n i t r i l e p l a n t l e a k e d d u r i n g u s e.T h e c a u s e s o f t h e l e a k a g e w e r e a n a l y z e d b y m e a n s o f m a c r o s c o p i c o b s e r v a t i o n,c h e m i c a l c o m p o s i t i o n a n a l y s i s,m i c r o s t r u c t u r e o b s e r v a t i o n,m i c r o h a r d n e s s t e s t,s c a n n i n g e l e c t r o n m i c r o s c o p y a n d e n e r g y d i s p e r s i v e s p e c t r o s c o p y.T h e r e s u l t s s h o w e d t h a t t h e c r a c k i n g m o d e o f t h e t h e r m o c o u p l e b u s h i n g w a s s t r e s s c o r r o s i o n c r a c k i n g.T h e m a i n r e a s o n o f i t s l e a k a g e w a s t h e d i f f e r e n c e o f s u r f a c e s t a t e a n d m i c r o s t r u c t u r e b e t w e e n h e a t a f f e c t e d z o n e a n d b a s e m e t a l z o n e o f t h e r m o c o u p l e b u s h i n g p r o d u c e d s t r e s s,w h i c h l e d t o t h e f o r m a t i o n o f s t r e s s c o r r o s i o n c r a c k s i n t h e h e a t a f f e c t e d z o n e p r e f e r e n t i a l l y.I n t h e e n v i r o n m e n t w h e r e h y d r o g e n s u l f i d e a n d c h l o r i d e c o e x i s t e d.T h e c r a c k s p r o p a g a t e d a l o n g t h e g r a i n b o u n d a r y t o t h e b a s e m e t a l,w h i c h l e d t o c r a c k i n g a t t h e w e l d j o i n t b e t w e e n t h e t h e r m o c o u p l e b u s h i n g a n d t h e f l a n g e b o s s,a n d f i n a l l y l e d t o t h e l e a k a g e o f t h e t h e r m o c o u p l e b u s h i n g d u r i n g u s e.K e y w o r d s:a c r y l o n i t r i l e p l a n t;t h e r m o c o u p l e b u s h i n g;s t r e s s c o r r o s i o n c r a c k i n g;3 1 6 L s t a i n l e s s s t e e l 换热器在化工、石油、动力及其他工业生产中占据重要地位,其安全运行关系到整个装置能否稳定生产。在以往的报道中,换热器发生泄漏的直接原因包括管道断裂1、螺栓断裂2以及焊缝开裂3。收稿日期:2 0 2 2-0 8-0 9基金项目:浙江省基础公益研究计划(L G C 2 2 B 0 5 0 0 1 3);浙江大学实验技术研究项目(S J S 2 0 2 0 0 8);浙江大学衢州研究院科技计划(I Z Q 2 0 2 0 K J 2 0 1 3)通信作者:刘文娟(1 9 8 4-),副教授,博士,主要从事腐蚀电化学研究工作,0 2 5-8 3 5 8 7 2 7 0,l i u w e n j u a n n j t e c h.e d u.c n造成这些缺陷的原因大多是应力腐蚀4-5,以及设计不合理导致轴向应力超过许用值或者操作与维修不当等。针对这些原因,常用的解决方法有更换材料、改善设 备 结 构、管 壁 涂 覆 涂 层 以 及 改 善 焊 接 工艺6-8。3 1 6 L不锈钢被广泛应用于制作要求良好综合性能的设备和机件。相较于3 0 4 L不锈钢,3 1 6 L不锈钢是在C r 1 8 N i 8钢基础上添加了2%(质量分数)M o,使 其 耐 还 原 性 介 质 和 耐 点 蚀 性 能 得 到 提高9-1 1,同时具有良好的强度、塑韧性和冷成型性。03第4 3卷 第1 2期2 0 2 2年1 2月腐蚀与防护C O R R O S I ON&P R O T E C T I ONV o l.4 3 N o.1 2D e c e m b e r 2 0 2 2然而,3 1 6 L奥氏体不锈钢除了会发生全面腐蚀外,还会发生应力腐蚀开裂。为此,有必要对失效热电偶套管进行综合分析,找出失效原因和影响因素,提出相应的改进方法,确保丙烯腈装置中反应气体冷却器的运行安全,这对化工等设备安全和事故预防具有重要的研究价值和社会意义1 2。1 概况 某E 8 1 0 2丙烯腈装置中反应气体冷却器为国外专利设备,是丙烯腈生产装置的关键设备。刚引进时,由于膨胀节的设计不合理1 3,多次出现泄漏事故,近几年由于技术改进,此类问题得到了极大改善1 4。现该换热器管程出口管道热电偶套管在使用过程中发生泄漏,热电偶套管的管径为D N 4 0 mm,材料为3 1 6 L不锈钢。泄漏热电偶套管所在的反应气体冷却器的工况条件为:正常使用压力5.0 MP a;温度1 7 0;管内介质为加氢反应流出物;介质成分主要有H2S、H2、HC l、H2O、烷烃、C O、C O2。由此可知,该热电偶套管存在H2S、C l-、C O2等多种腐蚀因素共存下的协同作用1 2,1 5-1 7。本工作采用一系列的理化检验,分析了该热电偶套管泄漏的原因,并提出改进建议,以期避免类似事故的再次发生。2 理化检验与分析2.1 宏观观察对泄漏的热电偶套管进行切割取样,观察套管局部宏观形貌。采用X射线探伤仪进行裂纹探伤,确定裂纹类型。热电偶套管泄漏点的宏观形貌及裂纹探伤照片如图1所示。由图1(a)可见,套管表面状况良好,管外壁绝大部分区域无腐蚀产物层,呈一定的金属光泽,裂纹位于热电偶套管与管法兰凸台连接 焊 缝 处,裂 纹 表 面 有 深 红 色 腐 蚀 产 物。由图1(b)可知,该裂纹为环向裂纹。由热电偶的安装方式可知,该法兰凸台主要用于热电偶套管与丙烯腈装置反应气体冷却器的出口管道的固定连接,会与管道内流体介质接触,当管道发生腐蚀开裂时,热电偶套管会出现泄漏。(a)宏观形貌(b)裂纹探伤照片图1 泄漏热电偶套管的宏观形貌和裂纹探伤照片F i g.1 M a c r o-m o r p h o l o g y(a)a n d c r a c k d e t e c t i o n p h o t o g r a p h(b)o f l e a k i n g t h e r m o c o u p l e b u s h i n g2.2 化学成分分析依据 G B/T 1 1 1 7 0-2 0 0 8 不锈钢多元素含量的测定火花放电原子发射光谱法,采用直读光谱仪对热电偶套管进