硫黄回收单元不锈钢三通阀裂纹修复处理

罗 涛 张云光 罗明平 曾令强 蒋学奎 薛 山 杨智超 汪 蕾

中国石油西南油气田公司重庆天然气净化总厂, 重庆 401259

0 前言

四级转化冷床吸附(Cold Bed Adsorption,以下简称CBA)工艺通过热反应炉,1个常规克劳斯反应器以及3个CBA低温克劳斯反应器将酸气中的H2S转换为硫黄,该硫黄回收是常规克劳斯和低温克劳斯的组合工艺,其硫黄回收率达到99.2%以上[1]。而三通阀是该工艺流程中的重要设备,通过其不同阀位的切换快速转换各工艺阶段。硫黄回收装置中工艺介质复杂,包含H2S、SO2、CS2、水蒸气、硫蒸气等。同时,在该工艺条件下,三通阀需频繁切换阀位,温度变化范围在120～400 ℃。因此,三通阀在这种工艺介质复杂的动载荷下,容易产生开裂、腐蚀现象。

在巡检某天然气净化厂时,发现硫黄回收装置工艺参数异常。判断硫黄回收装置不锈钢夹套三通阀伴热蒸汽内漏。装置停产检修解体发现,三通阀阀盖伴热夹套有11处裂纹。厂家到场后,经过5 d的检查、研究得出无法修复的结论。购买新阀门更换不仅价格昂贵(247万元/只),而且3～6个月的采购周期,远远超出了该厂可接受的开产延期时间。通过对三通阀材质、使用工况等因素进行综合分析,制定了以固溶处理[2-5]为核心的焊接工艺,最终成功修复裂纹,保证装置顺利开产。该焊接工艺的成功使用,也为该厂类似设备问题提供了解决办法,有效解决了天然气净化厂设备硫腐蚀开裂的修复问题。

1 故障现象

将故障三通阀解体后发现开裂位置处于阀盖伴热夹套与阀盖、轴套焊接部位,见图1。其中开裂位置一(阀盖伴热夹套与阀盖焊缝)裂纹沿焊缝周向、间断分布,共10处,且裂纹沿热影响区呈多点、细缝、树状扩散,见图2。开裂位置二(阀盖伴热夹套与轴套焊缝)裂纹集中在一处,且沿焊缝方向呈单点、宽逢、线型扩散,见图3。

图1 开裂所处部位图Fig.1 Crack location

图2 开裂位置一照片Fig.2 First crack

图3 开裂位置二照片Fig.3 Second crack

2 原因分析

2.1 晶间腐蚀

开裂位置一呈多点、细缝、树状扩散,见图4,结合图1～2可发现裂纹垂直于阀盖伴热夹套内部受压时产生的环向应力。

图4 开裂位置一局部放大图Fig.4 Partially enlarged First crack

通过现场观察发现裂纹全部出现在阀盖伴热夹套焊缝上,怀疑为奥氏体不锈钢在焊接时温度达到600～900 ℃,结晶晶界的碳化铬(Cr23C6)析出,引起奥氏体不锈钢内的Cr量减少、耐腐蚀性下降,从而出现晶间腐蚀[6-10]。

但根据原设备图纸得知,阀盖、阀盖伴热夹套、轴套材质均为304L。由于含碳量在0.03%以下,具有良好的抗晶间腐蚀性能。参照国标GB/T3280-2015《不锈钢冷轧钢板和钢带》得出304、304L不锈钢材质成分见表1。对设备开裂部件进行材质检测，其中C含量0.07%,Mn含量1.02%，S含量0.008%，P含量0.037%，Si含量0.34%，Cr含量17.24%，Ni含量8.04%。因此判断该部件材质为304并非304L。由于304与304L在含碳量上的区别导致304在焊接过程中容易在晶界区域形成“贫铬区”,从而引起晶间腐蚀[11]。

表1 304和304 L不锈钢材质成分表Tab.1 304 and 304 L stainless steel material composition

除了材料、焊接因素,开裂位置一在角焊缝两侧结构刚度差异较大,没有平滑过渡,造成该处应力集中。当阀位处于角通时,该位置处于盲端,容易凝结出酸性液体、固体硫单质,也会加剧裂纹的扩散。

综上,此处裂纹是由于该部件选择了受敏化影响的304不锈钢,并且在焊接时未进行有效固溶处理,导致部件在应力作用下产生的沿晶界断裂的现象。

2.2 疲劳损伤

开裂位置二裂纹呈单点、宽逢、线型扩展。

开裂位置二所处位置同样存在角焊缝两侧结构刚度差异较大、没有平滑过渡而造成的应力集中问题。除此之外,开裂位置二还处于轴套下端,该处在阀位切换、介质流动的作用下变形量最大。不仅如此,在正常生产过程中三通阀处于直通与角通的切换过程,阀杆为悬臂梁结构,且阀板处于悬臂梁顶端。切换过程中气流急剧变化,不仅带来了交变载荷,在特定流速下还可能形成涡激共振。

2.3 失效判断

综上,此处裂纹是由于该部件选择了受敏化影响的304不锈钢,并且在焊接时未进行有效固溶处理,导致部件在应力作用下产生的沿晶界断裂,并且在交变载荷、共振情况下裂纹得以持续延伸。

3 焊接修复

3.1 修复方案

通过以上原因分析可知,裂纹产生的根本原因有以下四点:1)由于晶界区域形成贫铬区而引起的晶间腐蚀;2)硫单质的影响;3)内部残余应力;4)阀位切换、介质流动的交变载荷。其中主要因素是晶间腐蚀,而交变载荷又无法避免。

因此修复的核心就是通过选用超低碳不锈钢焊条与固溶处理相结合,避免再次产生贫铬区。同时去除残余硫单质,小线能量焊接减小残余应力以及碳化铬(Cr23C6)析出[12]。

3.1.1 选用超低碳不锈钢

既然出现晶间腐蚀的根本原因是碳与铬形成化合物产生贫铬区,那么选用含碳量低的不锈钢[13]就是第一选择。但检修时间短,无法短时间获得304L(具有抗晶间腐蚀特性)材质的该部件。因此只能对开裂部位进行修复。焊条选择超低碳不锈钢焊条E316L-16进行焊接,减少碳的带入。

3.1.2 打磨与除硫

由于该阀门使用介质中含有硫单质,裂纹产生后硫单质残留在裂纹中,也加剧了裂纹的扩展,因此在焊接前需进行严格的除硫操作[14]。

根据裂纹形状、大小、长度、位置,首先对裂纹最宽处沿裂纹线用角向磨光机打磨出一条V型纵向小坡口,便于增加熔深和焊透。然后沿裂纹打磨,直到消除末端裂纹。

用钢丝刷除去不锈钢板表面的硫黄后,再用角向磨光机清除表面与近表面的污物;为除去裂纹中硫单质,用氧乙炔焰的中性焰对不锈钢板焊接区域进行焙烧至900～1 000 ℃左右(暗红色);冷却后再用角向磨光机打磨清除表面氧化物,直至其露出金属本体光泽。

清理干净后用渗透检测进行检查直到裂纹完全消除。

3.1.3 小线能量焊接

焊接时采用小线能量、小电流、短弧、大焊速、横向微摆动、灭弧向上的手法焊接[15],焊接参数见表2。焊接过程中输入线能量少,既能有效限制被加热宽度,又有利于被加热区急冷,在敏化温度区停留时间短,有利于防止晶间腐蚀。每焊接20 mm用常温纯净水快速喷淋冷却一次,不断重复以上操作,直至完成焊接[16]。

表2 手工电弧焊焊接参数表Tab.2 Welding parameters of manual arc welding

3.1.4 进行固溶处理

焊接完成后将该部件的所有焊缝加热到1 100 ℃左右,保温5 min后,随即急冷。在1 100 ℃时碳化铬被融解,急冷以获得单一的奥氏体镍铬合金,不产生贫铬区[17-20]。

3.2 修复效果

经过3 d的抢修,利用固溶处理防止晶间腐蚀的原理,成功完成了对阀体11处裂纹的修复工作,并通过了渗透检测和气密性实验,使用至今已5 a,设备运行正常。该修复方案不仅节约成本247万元,而且保证了该天然气净化厂的正常生产。

4 结论及建议

1)当奥氏体不锈钢焊缝因贫铬产生晶间腐蚀时,通过固溶处理能有效消除贫铬区,防止再次发生晶间腐蚀。

2)小线能量焊接,间断降温的方法能有效降低在600～900 ℃区间的停留时间,从而减少结晶晶界的碳化铬(Cr23C6)析出,避免贫铬区的产生。

3)超低碳不锈钢的选用也能减少焊接时结晶晶界的碳化铬(Cr23C6)析出,避免贫铬区的产生。

4)结合本次三通阀修复经验，建议在以后的三通阀采购时选用304 L、316 L等具有良好的抗晶间腐蚀性能的材质,在阀盖伴热夹套焊缝位置设置刚度过渡段,并增加轴套刚度,减小其变形量。