扬子石化：新技术攻克应力腐蚀难题

□ 文 / 图 本刊记者 陶 炎

从2005年开始，扬子石化联合南京工业大学等高校开展科研攻关，通过玻璃喷丸等技术的研究和应用，预防焊接接头应力腐蚀开裂。

扬子石化乙二醇装置不锈钢设备。

1月8日，2018年度国家科学技术奖公布。其中，扬子石化与南京工业大学、常州大学等高校联合开发的“特种表面冲击强化抗应力腐蚀与疲劳技术及应用”获得国家科技进步二等奖。

外行人很难明白这项技术的重大意义，但是对扬子石化而言，这项技术有效避免了装置上不锈钢设备的应力腐蚀。应用这项新技术以来，扬子乙二醇装置上10多台不锈钢塔罐设备再也没有出现应力腐蚀，设备的安全可靠性大幅提升。

在防止应力腐蚀开裂方法上另辟蹊径

什么是应力，什么是应力腐蚀？设备专业人士举了一个生活中常见的事例。夏季吃西瓜，很多人都遇到过这样的情况。拿刀轻轻的一碰，西瓜就会炸开，原因是瓜皮中存在较大应力。而对于化工设备来说，当材料被腐蚀再遇上应力时，就有可能发生材料开裂。

该项目的主要参与者之一、扬子石化烯烃厂党委书记、原烯烃厂设备副总工程师史永红解释说，应力腐蚀是指设备材料在腐蚀介质和一定的应力共同作用下，产生的以裂纹为主要破坏形态的腐蚀。发生应力腐蚀需同时满足三个条件：一是材质因素，其中奥氏体不锈钢是发生应力腐蚀开裂的高度敏感材料；二是环境因素，一定要有腐蚀介质，包括酸、碱、氯离子等；三是一定要有应力作用，这种应力必须是拉应力，而通常情况下，压应力不会产生应力腐蚀开裂，设备在制造过程的过程中，都会在焊缝、封头等处留有残余的拉应力。三个条件必须同时存在，才能产生应力腐蚀。

升级设备材质费用高昂，由于工艺技术的因素，腐蚀介质很难避免，因此，减低或消除残余拉应力是防止发生应力腐蚀开裂的常用方法。

本次获奖的新技术，在防止应力腐蚀开裂方法上另辟蹊径，通过采用玻璃喷丸技术、超声波技术、激光技术的物理冲击，在设备金属表面产生薄薄的“压应力金属层”，这个“压应力金属层”本身不会发生应力腐蚀开裂，同时，它又是设备金属材料内部与腐蚀环境之间的“防腐隔离层”，这样，即便设备材料内部仍有残余拉应力，应力腐蚀开裂也不会发生。

联合开展攻关开发新工艺

在扬子石化乙二醇装置，环氧乙烷精制单元和乙二醇精制单元的压力容器材质均为奥氏体不锈钢，其中包括7台乙二醇蒸发器、两台环氧乙烷精制塔。此前，应力腐蚀开裂在这些设备上经常出现。

扬子石化烯烃厂设备管理科科长、原乙二醇车间设备副主任倪东原说，特别是在乙二醇蒸发器的下封头环焊缝热影响区，应力腐蚀开裂集中产生。当装置停车大修进行压力容器检测时，通过着色探伤，在乙二醇蒸发器下封头环焊缝热影响区发现密密麻麻的纵向微裂纹。而裂纹是压力容器不允许存在的严重缺陷和安全隐患，必须要消除。而消除这些裂纹却是一个棘手的难题，有时必须将缺陷部件局部更换或将设备整台更换。

为此，从2005年开始，扬子石化联合南京工业大学等高校开展科研攻关。通过玻璃喷丸等技术的研究和应用，来指导乙二醇不锈钢蒸发器等不锈钢设备制作和维修，预防焊接接头应力腐蚀开裂，延长设备寿命，保证设备安全运行。

针对上述问题，课题组开发了焊接接头特种喷丸（玻璃喷丸、超声波喷丸、激光喷丸）抗应力腐蚀断裂技术。该技术通过在焊接接头表面产生纳米晶粒及压应力层，从根本上解决了化工装置应力腐蚀开裂问题，并具有工艺简单、高效、环保和低成本的特点。

课题组通过理论、模拟和试验研究，揭示焊接接头及其特种喷丸处理和应用中的规律，指导喷丸新工艺的开发及优化，解决化工设备抗应力腐蚀难题。

目前，三种技术都在应用，各有特色。玻璃喷丸技术效率高，操作方便，适合大面积处理，但是装置现场无法使用，只能在设备制造厂家使用，主要应用于新设备；超声波喷丸绿色、高效、易操作，压应力层深，适合于装置现场处理；激光喷丸是一种非接触冲击方法，适合锆、钛等特种材料处理。因此，可以根据待处理设备的材料、处理要求选择合适的喷丸工艺。

新技术应用广泛成效显著

目前，扬子石化乙二醇装置新制造的不锈钢设备均采用喷丸技术，在设备出厂安装之前，做一次喷丸。乙二醇装置更换的3台乙二醇蒸发器等新设备采用的就是喷丸技术。其他装置现场的老设备，采用的则是超声波和激光技术。

史永红说，采用新技术后，不锈钢设备的抗应力腐蚀性能得到很大提高，设备的安全性能大幅提升，设备的使用寿命有效延长。

2005年以来，乙二醇装置多台更新的不锈钢设备在制造阶段均应用了玻璃喷丸技术，至今这些设备未出现应力腐蚀开裂；2012年对3台乙二醇蒸发器（旧的在用设备）应用超声波喷丸技术，至今这3台设备未再发生应力腐蚀裂纹，设备使用寿命延长至今。

同时，还节省了大量的制造费用、检修费用、维护费用等。以3台更换的乙二醇蒸发器为例，相对于升级材质，通过采用喷丸技术，3台设备仅制造费用就节省336万元。

这种新技术还在扬子石化的PTA、醋酸等装置的蒸发器、搅拌轴、换热器等不锈钢设备得到了应用，保证了化工装置的安全运行。

记者也从南京工业大学了解到，针对石化、化工、电力等不同领域关键装备的抗应力腐蚀和疲劳失效难题，科研人员历经10余年攻关和实践，开发了系列的低成本、高效、可靠的抗应力腐蚀和疲劳失效的表面处理技术。发明了基于玻璃、超声、激光的三种表面冲击强化抗应力腐蚀和疲劳方法，构建了冲击工艺—微观结构—强化效果协同评价体系，实现了表面冲击强化后构件应力腐蚀和疲劳寿命的科学预测。

该项目获授权发明专利15件，发表论文67篇，其中SCI收录43篇。成果应用于扬子石化、泸天化、江苏通宇等多家大型企业的乙二醇、大化肥等关键装备以及离心压缩机涡轮、输气管道等核心设备，极大提高了设备抗应力腐蚀和抗疲劳性能，保障其安全稳定长周期运行，取得了重大的经济效益和社会效益。该技术也为各类装置防止奥氏体不锈钢应力腐蚀提供了经济、可靠的方法，极具推广价值。

技术人员在检查扬子乙二醇设备的运行情况。