新技術讓化工設備告別應力腐蝕

圖為揚子石化乙二醇車間職工正在現(xiàn)場檢查設備的運行情況
 

　　探尋應力腐蝕根源

　　什么是應力腐蝕呢？切西瓜的時候，拿刀輕輕一碰，西瓜很容易“炸開”，原因就是瓜皮中存在較大的應力。而對于化工設備來說，當材料腐蝕再遇上應力時，就有可能發(fā)生材料開裂。

　　項目的主要參與者之一、揚子石化烯烴廠黨委書記、原烯烴廠設備副總工程師史永紅解釋說，應力腐蝕是指設備材料在腐蝕介質(zhì)和一定應力的共同作用下，產(chǎn)生的以裂紋為主要破壞形態(tài)的腐蝕。發(fā)生應力腐蝕需同時滿足3個條件：一是材質(zhì)因素，其中奧氏體不銹鋼是發(fā)生應力腐蝕開裂的高度敏感材料；二是環(huán)境因素，一定要有腐蝕介質(zhì)，包括酸、堿、氯離子等；三是一定要有應力作用，這種應力必須是拉應力，而設備在制造過程中，都會在焊縫、封頭等處留有殘余的拉應力。3個條件必須同時存在，才能產(chǎn)生應力腐蝕。也即只要去掉其中任何1個，就會消除應力腐蝕。升級設備材質(zhì)，費用高昂；由于工藝技術的因素，腐蝕介質(zhì)也很難避免。因此，降低或消除殘余拉應力成為了防止發(fā)生應力腐蝕開裂的常用方法。

　　本次獲獎的新技術，就在防止應力腐蝕開裂方法上另辟蹊徑，通過玻璃噴丸、超聲波、激光的物理沖擊，在設備金屬表面產(chǎn)生薄薄的“壓應力金屬層”，要知道，壓應力不會發(fā)生應力腐蝕，所以這個“壓應力金屬層”不會發(fā)生應力腐蝕開裂，同時也是設備金屬材料內(nèi)部與腐蝕環(huán)境之間的“防腐隔離層”。如此，即便設備材料內(nèi)部仍有殘余拉應力，應力腐蝕開裂也不會發(fā)生。

　　聯(lián)合開展技術攻關

　　揚子石化乙二醇裝置環(huán)氧乙烷精制單元和乙二醇精制單元的壓力容器材質(zhì)均為奧氏體不銹鋼，其中包括7臺乙二醇蒸發(fā)器、2臺環(huán)氧乙烷精制塔。這些設備經(jīng)常出現(xiàn)應力腐蝕開裂。

　　揚子石化烯烴廠設備管理科科長、原乙二醇車間設備副主任倪東原強調(diào)，在乙二醇蒸發(fā)器的下封頭環(huán)焊縫熱影響區(qū)，應力腐蝕開裂更容易集中產(chǎn)生。當裝置停車大修進行壓力容器檢測時，通過著色探傷，在乙二醇蒸發(fā)器下封頭環(huán)焊縫熱影響區(qū)發(fā)現(xiàn)了密密麻麻的縱向微裂紋。而裂紋是壓力容器不允許存在的嚴重缺陷和安全隱患，消除這些裂紋是個棘手的難題，有時需更換缺陷部件甚至整臺設備。

　　為此，從2005年開始，揚子石化聯(lián)合南京工業(yè)大學等高校開展了科研攻關，嘗試通過玻璃噴丸等技術，來指導乙二醇不銹鋼蒸發(fā)器等不銹鋼設備制作和維修，預防焊接接頭抗應力腐蝕開裂發(fā)生。課題組通過理論、模擬和試驗研究，揭示了焊接接頭及其特種噴丸處理和應用中的規(guī)律，對新工藝進行優(yōu)化，開發(fā)了焊接接頭特種噴丸（玻璃噴丸、超聲波噴丸、激光噴丸）抗應力腐蝕斷裂技術。該技術通過在焊接接頭表面產(chǎn)生納米晶粒及壓應力層，從根本上解決了化工裝置應力腐蝕開裂問題，并具有工藝簡單、高效、環(huán)保和低成本的特點。

　　目前，這3種技術都已應用于工業(yè)生產(chǎn)，各有特色，可以根據(jù)待處理設備的材料性能和處理要求選擇合適的噴丸工藝。其中，玻璃噴丸技術效率高，操作方便，適合大面積處理，但裝置現(xiàn)場無法使用，只能在設備制造廠家使用，主要應用于新設備；超聲波噴丸綠色、高效、易操作，壓應力層深，適合于裝置現(xiàn)場處理；激光噴丸是一種非接觸沖擊方法，適合鋯、鈦等特種材料處理。

　　項目成果效益顯著

　　“采用新技術后，不銹鋼設備的抗應力腐蝕性能得到了很大的提高，設備的安全性能大幅提升，設備的使用壽命有效延長?！笔酚兰t說，2005年以來，揚子石化乙二醇裝置中多臺更新的不銹鋼設備在制造階段應用了玻璃噴丸技術，至今這些設備還未出現(xiàn)應力腐蝕開裂；2012年，3臺在用的乙二醇蒸發(fā)器也應用了超聲波噴丸技術，至今這3臺設備再未發(fā)生應力腐蝕裂紋。同時，新技術的應用還節(jié)省了可觀的制造、檢修和維護費用。以3臺更換的乙二醇蒸發(fā)器為例，相對于升級材質(zhì)，通過采用噴丸技術，3臺設備僅制造費用就節(jié)省336萬元。

　　針對石化、化工、電力等不同領域關鍵裝備的抗應力腐蝕和疲勞失效難題，南京工業(yè)大學科研人員還開發(fā)了一系列的低成本、高效、可靠的抗應力腐蝕和疲勞失效的表面處理技術，發(fā)明了基于玻璃、超聲、激光的3種表面沖擊強化抗應力腐蝕和疲勞方法，構(gòu)建了沖擊工藝—微觀結(jié)構(gòu)—強化效果協(xié)同評價體系，實現(xiàn)了表面沖擊強化后構(gòu)件應力腐蝕和疲勞壽命的科學預測。

　　目前，這種新技術還應用在揚子石化的PTA、醋酸等裝置的蒸發(fā)器、攪拌軸、換熱器等不銹鋼設備上，并在瀘天化、江蘇通宇等多家大型企業(yè)的乙二醇、大化肥等關鍵裝備及離心壓縮機渦輪、輸氣管道等核心設備上進行了應用，設備抗應力腐蝕和抗疲勞性能極大提高，不僅為企業(yè)解決了安全隱患問題，還幫助企業(yè)獲得了重大的經(jīng)濟和社會效益。（陶炎文/圖）