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  • 焦化高压水球阀失效原因分析及预防
    发布日期:2016-1-24


    摘 要:酸性水汽提装置净化水进入焦池作为切焦水使用后,出现了切焦水系统局部弯头壁厚减薄、高压水球阀三位阀杆腐蚀问题,影响生产。对球阀取样进行了化学成分分析、电镜观察、能谱分析、硬度检测、腐蚀产物X射线衍射分析,认为冲蚀-腐蚀的联合作用导致切焦水线高压水球阀密封面失效,腐蚀介质促进了冲刷腐蚀。从降低腐蚀介质含量、优化阀门结构和材料、优化操作、加强监测等方面提出了预防腐蚀的建议。

    本页关键词:进口球阀-进口电动球阀-进口气动球阀

    2011年开始,中海炼化惠州炼油厂将酸性水汽提装置的净化水作为焦化装置的切焦水来使用,运行过程中多次出现切焦水系统部分弯头的局部壁厚减薄、高压水球阀阀杆腐蚀,严重影响了切焦水系统的正常运行。高压水球阀起到切断高压水的作用,其材质ASTM A105,接触介质为除焦水,操作温度66℃,操作压力35MPa。

    拆检高压水球阀,发现阀门内表面起皮,中法兰密封面漏水,阀球密封面腐蚀严重,阀芯边缘出现深浅不一的蚀坑,最深处达2.5mm,见图1。笔者在球阀内流道表面锈蚀层取样(HZ-01、HZ-02),对高压水球阀进行了理化检测,分析了失效原因,并提出了预防措施。

    图1 失效球阀三位阀杆宏观形貌

    1 理化检测

    1.1 材质分析

    对高压水球阀试样进行化学成分分析,具体结果见表1。

    表1 试样化学成分(质量分数)              %

    将表1结果与NB/T 47010—2010《承压设备用不锈钢和耐热钢锻件》比对,表明HZ-01材质为S30403(即022Cr19Ni10),HZ-02材质为S11306(即06Cr13)。

    S30403具有优良的不锈耐腐蚀性能和较好的抗晶间腐蚀性能。在氧化性酸,例如质量分数不大于65%的沸腾温度以下的硝酸中具有很强的抗腐蚀性,但是在含Cl-水中则对应力腐蚀是非常敏感的。

    S11306是低碳铁素体不锈钢,主要用于制造耐水蒸气、碳酸氢铵母液、热的含硫石油腐蚀的部件和设备衬里等。

    1.2 电镜观察

    由电镜观察得到的HZ-02蚀坑内低倍形貌见图2a。由图中可以看出,HZ-02腐蚀位置为典型的蜂窝状形貌,且凹坑处均呈现圆形。有个别的球状物质嵌在基体上,且此球状物恰好与凹坑的形状相吻合。

    图2 HZ-02蚀坑内电镜观察形貌

    HZ-02蚀坑内失效处高倍形貌见图2b,可以看出腐蚀坑处分布有较多的球状物,此球状物质应为铁的化合物。

    1.3 能谱分析

    对HZ-01、HZ-02失效部位进行能谱分析,结果见表2。

    表2 试样能谱分析结果

    由表2的能谱分析结果看出,HZ-01为奥氏体不锈钢,与材质分析结果一致。HZ-01失效处腐蚀元素主要为氧元素,并且含有少量的硫元素。HZ-02的情况与HZ-01基本相似,蚀坑内的局部硫质量分数较高。

    1.4 硬度检测

    对HZ-02进行了维氏硬度测试,同一平面的6点维氏硬度测试结果分别为558HV、576HV、556HV、530HV、582HV、550HV。根据,S11306的硬度范围为110~163HBW,换算成维氏硬度为115~170HV,可以判定HZ-02经过了硬化处理。

    1.5 腐蚀产物X射线衍射分析

    分别对2个样品的现场腐蚀产物进行X射线衍射分析,结果见图3。通过与标准图谱对比,2个样品的产物均为Fe2O3。

    图3 HZ-01、HZ-02腐蚀产物X射线衍射分析结果

    2 介质分析

    原设计切焦水中含焦粉直径不大于5mm,含焦粉的质量浓度不大于700mg/L,硫质量分数为0.8%。酸性水汽提装置净化水注入切焦水后,切焦水质腐蚀性增强,采样点112-T-302的除焦水水质分析结果见表3。

    表3 除焦水pH值及各成分质量浓度分析结果

    3 球阀失效原因分析

    冲刷腐蚀是金属表面受高流速流体冲击,同时遭到磨损和腐蚀的破坏。冲刷损伤主要由湍流、固体颗粒冲击、液滴冲击、气泡冲击、空蚀、拔丝以及流动促进膜溶解等因素造成,通常表现为凹坑、波浪纹、圆孔及凹陷。

    根据球阀失效试样的宏观形貌以及电镜观察得到的低倍形貌、高倍形貌结果可以看出,失效试样具有流线状条纹,腐蚀呈蜂窝状,说明存在冲刷腐蚀。X射线衍射分析结果认为腐蚀产物主要为氧化铁,且在失效部位也看到氧化铁颗粒,说明是氧和硫发生作用产生腐蚀。能谱分析结果同样证明腐蚀与氧密切相关。

    切焦水中存在悬浮物,由于实际生产中无法化验焦粉颗粒的直径,只能按照设计条件考虑焦粉和其他悬浮物,将其作为冲刷腐蚀的影响因素。S11306是耐热钢种,适用于高温阀门,且HZ-02经过了硬化处理,在设计选材时考虑到了提高其一定的耐冲刷能力。

    冲刷腐蚀一般发生在湍流条件下。冲刷是由于流动介质和电化学溶解过程同时作用在金属表面上凿出花样造成的,如果相界面腐蚀产物的钝化膜被冲走,保护覆盖层就无法生成,主要出现在大压差、含颗粒介质工况。球阀失效试样的腐蚀集中在阀杆与阀座的密封面上,而阀门18h就开关1次,阀门密封面介质流速非常高,氧化铁、焦粉等颗粒具有很大动能,不断破坏表面膜,更易发生冲刷腐蚀。另外,介质中含有大量的溶解氧及腐蚀离子,球阀在遭受冲刷腐蚀的同时还受到化学腐蚀、空泡腐蚀以及其他损伤机制(如腐蚀)的协同破坏,它们交替进行或者同时作用并且相互促进。因此,冲蚀-腐蚀的联合作用是导致切焦水球阀密封面失效的主要原因。

    4 预防腐蚀建议

    切焦水中的悬浮物和腐蚀介质对冲刷腐蚀起促进作用,应杜绝使用偏离原设计条件的净化水,降低腐蚀性介质和溶解氧的含量,控制化学腐蚀对冲刷腐蚀的促进作用。

    进一步优化阀门结构,减小与介质的冲刷力。考虑采用更耐冲刷腐蚀的近乎直通流道的全功能超轻调节阀,阀门节流口应尽量集中、圆整,以减缓节流面的流体流速。提高球阀流道表面加工精度及粗糙度,减缓局部冲蚀。

    优化球阀选材,建议对材料进行升级。在保证阀芯、阀座密封面韧性的基础上选择硬合金材料,例如堆焊耐磨合金等,以提高阀门耐冲刷腐蚀能力。目前采用了在球阀流道内表面堆焊双相不锈钢的方法,并通过2014年检修验证,有效解决了冲刷腐蚀问题。

    优化操作,避免小开度工作。进一步研究pH值、温度等腐蚀因素的影响,加强上下游管线、弯头腐蚀监测工作。

    5 结语

    采用多种方法对切焦水线高压水球阀密封面失效原因进行了分析,认为失效系冲蚀-腐蚀联合作用所致,提出了预防冲蚀-腐蚀的措施,指出生产阶段在球阀流道堆焊耐磨层是减缓冲蚀-腐蚀有效可行的方法。

    文章链接:http://www.dghwvalve.com/

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