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新技术让化工设备告别应力腐蚀

  文章加入时间:2019年2月


  近日,2018年度国家科学技术奖揭榜。扬子石化与南京工业大学、常州大学等高校联合承担的特种表面冲击强化抗应力腐蚀与疲劳技术及应用项目获得国家科技进步二等奖。这项技术可以使不锈钢设备有效避免应力腐蚀。应用该技术以后,扬子石化乙二醇装置上的10多台不锈钢塔罐设备再也没有出现应力腐蚀情况,设备的安全可靠性大幅提升。
  探寻应力腐蚀根源
  什么是应力腐蚀呢?切西瓜的时候,拿刀轻轻一碰,西瓜很容易“炸开”,原因就是瓜皮中存在较大的应力。而对于化工设备来说,当材料腐蚀再遇上应力时,就有可能发生材料开裂。
  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应力的共同作用下,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3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,而设备在制造过程中,都会在焊缝、封头等处留有残余的拉应力。3个条件必须同时存在,才能产生应力腐蚀。也即只要去掉其中任何1个,就会消除应力腐蚀。升级设备材质,费用高昂;由于工艺技术的因素,腐蚀介质也很难避免。因此,降低或消除残余拉应力成为了防止发生应力腐蚀开裂的常用方法。
  本次获奖的新技术,就在防止应力腐蚀开裂方法上另辟蹊径,通过玻璃喷丸、超声波、激光的物理冲击,在设备金属表面产生薄薄的“压应力金属层”,要知道,压应力不会发生应力腐蚀,所以这个“压应力金属层”不会发生应力腐蚀开裂,同时也是设备金属材料内部与腐蚀环境之间的“防腐隔离层”。如此,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。
  联合开展技术攻关
  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、2台环氧乙烷精制塔。这些设备经常出现应力腐蚀开裂。
  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强调,在乙二醇蒸发器的下封头环焊缝热影响区,应力腐蚀开裂更容易集中产生。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了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,消除这些裂纹是个棘手的难题,有时需更换缺陷部件甚至整台设备。
  为此,从2005年开始,扬子石化联合南京工业大学等高校开展了科研攻关,尝试通过玻璃喷丸等技术,来指导乙二醇不锈钢蒸发器等不锈钢设备制作和维修,预防焊接接头抗应力腐蚀开裂发生。课题组通过理论、模拟和试验研究,揭示了焊接接头及其特种喷丸处理和应用中的规律,对新工艺进行优化,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。
  目前,这3种技术都已应用于工业生产,各有特色,可以根据待处理设备的材料性能和处理要求选择合适的喷丸工艺。其中,玻璃喷丸技术效率高,操作方便,适合大面积处理,但装置现场无法使用,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。
  项目成果效益显著
  “采用新技术后,不锈钢设备的抗应力腐蚀性能得到了很大的提高,设备的安全性能大幅提升,设备的使用寿命有效延长。”史永红说,2005年以来,扬子石化乙二醇装置中多台更新的不锈钢设备在制造阶段应用了玻璃喷丸技术,至今这些设备还未出现应力腐蚀开裂;2012年,3台在用的乙二醇蒸发器也应用了超声波喷丸技术,至今这3台设备再未发生应力腐蚀裂纹。同时,新技术的应用还节省了可观的制造、检修和维护费用。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。
  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,南京工业大学科研人员还开发了一系列的低成本、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3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。
  目前,这种新技术还应用在扬子石化的PTA、醋酸等装置的蒸发器、搅拌轴、换热器等不锈钢设备上,并在泸天化、江苏通宇等多家大型企业的乙二醇、大化肥等关键装备及离心压缩机涡轮、输气管道等核心设备上进行了应用,设备抗应力腐蚀和抗疲劳性能极大提高,不仅为企业解决了安全隐患问题,还帮助企业获得了重大的经济和社会效益。

文章摘编自:中国化工报


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