乙烯装置离心压缩机干气密封盘螺柱断裂原因

李 坤, 肖承燃

(中化泉州石化有限公司, 泉州 362103)

乙烯三机组(裂解气压缩机、乙烯制冷压缩机、丙烯制冷压缩机)是乙烯裂解装置的关键核心设备,其直接影响着装置的安全稳定生产和长周期运行,密封气波动是影响乙烯三大机组安全运行的典型故障[1]。

某100万t/a乙烯装置三机组干气密封盘螺柱发生断裂现象,断裂螺柱所在法兰位于压缩机附近,每个法兰上有4个螺柱。断裂螺柱及新螺柱外观如图1所示,现场一共8个法兰上的螺柱断裂。法兰所在管道内的压力为 3.8 MPa,管道内部分区域温度为 20～30 ℃,其他区域温度为30～50 ℃。法兰外表面无锈蚀,但法兰与螺柱接触的位置发生锈蚀,法兰和螺柱材料均为不锈钢,牌号为A2-70。法兰所在的管道通入压缩机,介质有裂解气、乙烯、氮气等,通入不同类型介质管道的法兰螺柱均开裂。笔者采用宏观观察、化学成分分析、金相检验、硬度测试、扫描电镜(SEM)和能谱分析等方法对螺柱断裂原因进行分析,以防止该类问题再次发生。

图1 压缩机干气密封盘断裂螺柱及新螺柱外观

1 理化检验

1.1 宏观观察

断裂螺柱断口宏观形貌如图2所示,送检的8组双头螺柱中,一组是完好的,一组有裂纹但未完全断开,其他6组弯曲断开,且裂纹均位于中间螺杆处。除 4,5号螺柱外,起裂位置距螺纹1.5 cm左右,4,5号螺柱起裂位置距螺纹1.0 cm左右。除 5号螺柱外,中间螺杆长度均约为3.5 cm,5号螺柱中间螺杆长度约为2.0 cm。所有送检螺柱上均有不同程度的锈迹,螺母表面较为干净,与螺纹连接的内螺纹表面有少许锈蚀产物。所有断口均无塑性断裂特征。

图2 断裂螺柱断口宏观形貌

1.2 化学成分分析

通过火花放电原子发射光谱法(常规法)对断裂螺柱和螺母以及新螺柱和螺母的化学成分进行分析,结果如表1所示。由表1可知:断裂螺柱的碳、锰元素的质量分数比其螺母高,尤其是碳元素的质量分数更高。断裂螺柱及螺母材料为304不锈钢。断裂螺柱的碳元素质量分数均不符合标准GB/T 1220—2007 《不锈钢棒》的要求;新螺柱和螺母的碳元素质量分数均符合标准GB/T 1220—2007的要求。

表1 断裂螺柱和新螺柱的化学成分分析结果 %

1.3 金相检验和硬度测试

2号断裂螺柱的断口附近有二次裂纹,在垂直于裂纹方向截取金相试样,在新螺柱上截取金相试样,将2号断裂螺柱试样和新螺柱试样置于光学显微镜下观察,结果如图3所示。由图3可知:裂纹沿晶分布,且呈树枝状扩展特征;2号断裂螺柱晶粒度为9.2 级,螺母晶粒度为4.2级;新螺柱晶粒度为9.5级,新螺母晶粒度分别为6.0,2.5,4.5级。

图3 断裂螺柱和新螺柱的微观形貌

利用草酸电解法对断裂螺柱和螺母试样的抗晶间腐蚀能力进行评估,之后采用双环电化学动电位再活化测量法进行进一步验证,结果表明,原螺母几乎没有敏化,而断裂螺柱发生了敏化,螺柱的晶间腐蚀敏感性较高,新螺柱没有晶间腐蚀敏感性。

对金相试样进行维氏硬度测试[2],结果如图4所示,由图4可知:测点处的硬度较高。

图4 断裂螺柱的维氏硬度测试结果

1.4 断口微观形貌

对螺柱裂纹断口进行扫描电镜和能谱分析,结果如图5所示。由图5可知:断口形貌主要呈沿晶分布特征,断口晶界表面可见腐蚀产物附着;能谱分析显示断口表面含有硫、氯等腐蚀性介质元素。

图5 3,4号断裂螺柱断口SEM形貌和能谱分析结果

2 综合分析

断裂螺柱断裂位置均为双头螺柱的中间光杆处,裂纹大致与轴向垂直或呈较大的角度,断口呈沿晶断裂特征。断裂螺柱外表面有明显锈蚀痕迹,螺母表面无锈蚀痕迹;断口存在硫、氯等腐蚀性介质元素;断裂螺柱和螺母的材料成分差异较大,尤其是碳元素含量[3]。断裂螺柱的碳元素含量明显超出标准的规定;断裂螺柱组织严重敏化,晶间腐蚀敏感性很高。

材料发生应力腐蚀开裂是材料、环境和力学等多因素耦合作用的结果,需要特定材料、腐蚀介质和拉伸力等3个基本条件[4]。当含水的腐蚀性介质进入对接法兰之间的缝隙后,介质接触到严重敏化的双头螺柱中部的光杆位置,造成表面局部发生微小腐蚀;在螺柱紧固应力的共同作用下,应力腐蚀裂纹自腐蚀位置起裂并沿径向沿晶扩展,直至螺柱断裂。结合现场实际工况,碳元素含量高和材料敏化是导致螺柱耐蚀性下降的主要原因。通过更换碳元素含量合格且无晶间腐蚀敏感性的新螺柱螺母,能够有效减轻或避免螺柱发生腐蚀开裂。

3 结语

断裂螺柱裂纹呈沿晶分布特征,而且裂纹呈树枝状扩展;裂纹断面存在硫、氯等腐蚀性介质元素。结合工艺操作对断裂原因进行分析,由于不锈钢螺柱碳元素含量高且材料敏化,抗晶间腐蚀能力下降。含水的腐蚀性介质接触到严重敏化的双头螺柱中部的光杆位置,使材料表面局部发生微小腐蚀,最终在螺柱紧固应力的共同作用下,螺柱发生应力腐蚀开裂。