煤制油净化装置压力管道失效机理分析

煤制油净化装置压力管道失效机理分析

谷硕

大连锅炉压力容器检验检测研究院有限公司，辽宁大连 116013

摘要：为指导压力管道定期检验，本文通过对某煤制油厂净化装置压力管道材料、介质、操作条件等进行汇总比较，并结合GB/T 30579《承压设备损伤模式识别》，得出该煤制油净化装置共计4种失效模式13种损伤机理，并给出每种损伤模式的检验方法。

关键词：煤制油净化装置、压力管道、损伤模式、失效机理

0 前言

我国能源的主要特征是"富煤、少油、有气"，煤炭资源较为丰富且储存量大，成为国内生产企业的主要燃料，而其中利用煤碳制取油气已成为我国补充缺少油气的一个重要手段和战略趋势。煤制油化工企业中的煤制油净化装置是整个系列中的关键装置，是煤基化学品、煤基液体燃料等化工产品安全清洁生产的重要环节^[1]。

对煤制油净化装置中的在用压力管道进行缺陷产生和失效机理进行分析，充分认识压力管道腐蚀机理，有助于压力管道定期检验的执行、使用单位的日常巡检和年度检查，也能通过失效机理的分析，采取相应的措施降低压力管道的失效可能性。

1 煤制油净化装置概况

煤制油净化装置主要是将来自气化装置的产品气进行净化，将净化后的甲烷和二氧化碳提供给合成装置合成甲醇。某煤制油厂净化装置共有压力管道1074条，其中GC1级管道626条，GC2级管道442条，GC3级管道6条。管道材料主要有碳钢、低合金钢、304L、316L、16MnR、09MnNiDR等。管道介质主要是变换气、未变换气、合成气、H₂、CO、CH₄、CO₂、酸性气、H₂S、蒸汽、N₂等。操作压力最高达到11.5MPa，操作温度从-60℃到525℃。不同管道的管道材料不同，操作参数不同，介质状态不同，对管道的腐蚀机理也各不相同。

2煤制油净化装置腐蚀分析^[2]

碳钢、低合金钢含CO₂气体管道在潮湿环境容易引起CO₂腐蚀：H₂O+CO₂+Fe→FeCO₃+H₂，a)腐蚀一般发生在弯头处和冲击严重的区域，也会发生在对接焊缝根部有缺陷的地方；b）形成液相的部位会发生腐蚀，二氧化碳从气相中冷凝出来的部位容易发生腐蚀；c）腐蚀周围会发生壁厚减薄现象，有可能会形成腐蚀蚀坑、腐蚀蚀孔；d）在紊流区，碳素钢易发生较深的点蚀坑或沟槽。

当浓度超过2%（质量分数）且使用温度超过93℃时易发生碳酸盐应力腐蚀开裂：a）常发生于焊接接头附近的母材表面，裂纹一般平行于焊缝的方向发展，有时也会出现在焊缝金属表面以及焊缝的热影响区；b）焊接时焊接接头由于局部应力集中的地方易产生裂纹，裂纹细小且呈蜘蛛网状；c）裂纹主要是沿着晶界扩展开裂，开裂后裂纹中会填充氧化物。

对于有保温层的碳钢、低碳钢管道一般会在保温层下发生局部腐蚀，保温层破损后，破损的部位可能会产生大气腐蚀。将破损部位的保温材料拆除后，形成覆盖在管道表面产生片状疏松的锈蚀；300系列不锈钢会产生点蚀和局部腐蚀。

无氢气环境下的碳钢和低合金钢管道中的介质如果含有硫化物可能会发生高温硫化物腐蚀：Fe+RS→FeS+R；管道会发生均匀腐蚀，有时也为局部腐蚀，高流速冲刷的部位会形成冲蚀；腐蚀发生的地方会覆盖有硫化物膜，有时膜很厚，有时会很薄，厚度跟管道材质、介质中含有的腐蚀性液体、介质的流速以及含有的杂质相关。有氢气环境下，碳钢和低合金钢在高温且临氢的环境下可能会发生高温硫化物腐蚀。

在装置停工或是检修期间，管道内表面残留的硫化物腐蚀产物会与空气、水反应产生连多硫酸，引起300系列不锈钢管道中的敏华区域发生开裂现象。碳钢和低合金钢管道中如果含有H₂O和H₂S可能发生湿硫化氢的破坏，产生氢鼓泡、氢致开裂、应力导向氢致开裂和硫化物应力腐蚀开裂现象。含酸性水管道可能存在酸性水腐蚀。介质中含Cl^-的300系列不锈钢管道，或者保温层破损处有Cl^-存在的300系列不锈钢管道可能存在氯化物应力腐蚀开裂。过热高压蒸汽管道长期处于440℃以上工作，可能存在球化现象。离心泵、压缩机的进出口管道可能会产生机械疲劳、振动疲劳现象。弯头、三通、变径以及阀门和限流孔板的下游部位易产生冲刷现象。

3煤制油净化装置失效机理分析

煤制油净化装置产生的失效模式主要有腐蚀减薄（均匀腐蚀、局部腐蚀、点蚀）、环境开裂、材质劣化、机械损伤现象^[3]。有些失效的部位也有可能是多种失效模式的叠加。主要的失效模式见表1。

表1 煤制油净化装置主要潜在失效机理

4煤制油净化装置检验方法选择

针对不同的失效模式和损伤机理，应设置相应的检验重点。对于可能存在二氧化碳腐蚀高温硫化物腐蚀（无氢环境和有氢环境）、酸性水腐蚀减薄的压力管道，应以目视检测、超声波壁厚测定、UT检测为主；产生大气腐蚀的压力管道应以目视检测和超声波壁厚测定为主；氯化物应力腐蚀开裂应以目视检测为主，对可疑部位进行PT检测；碳酸盐应力腐蚀开裂的管道应使用目视检测、MT检测、MFL检测，不宜采用PT检测；湿硫化氢破坏应进行目视检测、湿荧光磁粉检测、涡流检测、射线成像检测或交流漏磁等方法更有效，也可采用外部超声波横波检测。连多硫酸应力腐蚀开裂以渗透检测和金相检测为主。球化主要通过金相检测来发现。机械疲劳和振动疲劳可以通过目视检测、渗透检测、磁粉检测等检验，对可能冲刷部位进行壁厚测定、超声检测等。

5 总结和讨论

通过煤制油净化装置中的压力管道对于不同材质、不同介质下产生的失效模式和损伤机理并结合GB/T 30579《承压设备损伤模式识别》，得出CO₂腐蚀、大气腐蚀、高温硫化物腐蚀（无氢、有氢环境）、酸性水腐蚀、氯化物应力腐蚀开裂、碳酸盐应力腐蚀开裂、湿硫化氢破坏、连多硫酸应力腐蚀开裂、球化、机械疲劳、振动疲劳、冲刷共计13中主要损伤机理，并给出了不同损伤机理应选用的检验方法，不仅给企业提供了在日常巡检中的重点关注部位，如保温层破损处、表面锈蚀处，也为煤制油净化装置压力管道的定期检验提供检验参考。

参考文献：

[1]李聿营.煤制气净化装置腐蚀失效机理分析及RBI技术的应用[J].全面腐蚀控制，第27卷第10期，2013年10月.

[2]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会发布.GB/T 30579-2014,2014-05-06发布，2014-12-01实施.

[3]GB/T 30579《承压设备损伤模式识别》