新技術(shù)讓化工設(shè)備告別應(yīng)力腐蝕

　　1月8日，2018年度國(guó)家科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)揭榜。揚(yáng)子石化與南京工業(yè)大學(xué)、常州大學(xué)等高校聯(lián)合承擔(dān)的特種表面沖擊強(qiáng)化抗應(yīng)力腐蝕與疲勞技術(shù)及應(yīng)用項(xiàng)目獲得國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)。這項(xiàng)技術(shù)可以使不銹鋼設(shè)備有效避免應(yīng)力腐蝕。應(yīng)用該技術(shù)以后，揚(yáng)子石化乙二醇裝置上的10多臺(tái)不銹鋼塔罐設(shè)備再也沒(méi)有出現(xiàn)應(yīng)力腐蝕情況，設(shè)備的安全可靠性大幅提升。

圖為揚(yáng)子石化乙二醇車間職工正在現(xiàn)場(chǎng)檢查設(shè)備的運(yùn)行情況
 

　　探尋應(yīng)力腐蝕根源

　　什么是應(yīng)力腐蝕呢？切西瓜的時(shí)候，拿刀輕輕一碰，西瓜很容易“炸開(kāi)”，原因就是瓜皮中存在較大的應(yīng)力。而對(duì)于化工設(shè)備來(lái)說(shuō)，當(dāng)材料腐蝕再遇上應(yīng)力時(shí)，就有可能發(fā)生材料開(kāi)裂。

　　項(xiàng)目的主要參與者之一、揚(yáng)子石化烯烴廠黨委書(shū)記、原烯烴廠設(shè)備副總工程師史永紅解釋說(shuō)，應(yīng)力腐蝕是指設(shè)備材料在腐蝕介質(zhì)和一定應(yīng)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(yīng)力腐蝕需同時(shí)滿足3個(gè)條件：一是材質(zhì)因素，其中奧氏體不銹鋼是發(fā)生應(yīng)力腐蝕開(kāi)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(yīng)力作用，這種應(yīng)力必須是拉應(yīng)力，而設(shè)備在制造過(guò)程中，都會(huì)在焊縫、封頭等處留有殘余的拉應(yīng)力。3個(gè)條件必須同時(shí)存在，才能產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕。也即只要去掉其中任何1個(gè)，就會(huì)消除應(yīng)力腐蝕。升級(jí)設(shè)備材質(zhì)，費(fèi)用高昂；由于工藝技術(shù)的因素，腐蝕介質(zhì)也很難避免。因此，降低或消除殘余拉應(yīng)力成為了防止發(fā)生應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的常用方法。

　　本次獲獎(jiǎng)的新技術(shù)，就在防止應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂方法上另辟蹊徑，通過(guò)玻璃噴丸、超聲波、激光的物理沖擊，在設(shè)備金屬表面產(chǎn)生薄薄的“壓應(yīng)力金屬層”，要知道，壓應(yīng)力不會(huì)發(fā)生應(yīng)力腐蝕，所以這個(gè)“壓應(yīng)力金屬層”不會(huì)發(fā)生應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂，同時(shí)也是設(shè)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(shè)備材料內(nèi)部仍有殘余拉應(yīng)力，應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂也不會(huì)發(fā)生。

　　聯(lián)合開(kāi)展技術(shù)攻關(guān)

　　揚(yáng)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(tái)乙二醇蒸發(fā)器、2臺(tái)環(huán)氧乙烷精制塔。這些設(shè)備經(jīng)常出現(xiàn)應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂。

　　揚(yáng)子石化烯烴廠設(shè)備管理科科長(zhǎng)、原乙二醇車間設(shè)備副主任倪東原強(qiáng)調(diào)，在乙二醇蒸發(fā)器的下封頭環(huán)焊縫熱影響區(qū)，應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂更容易集中產(chǎn)生。當(dāng)裝置停車大修進(jìn)行壓力容器檢測(cè)時(shí)，通過(guò)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(yán)重缺陷和安全隱患，消除這些裂紋是個(gè)棘手的難題，有時(shí)需更換缺陷部件甚至整臺(tái)設(shè)備。

　　為此，從2005年開(kāi)始，揚(yáng)子石化聯(lián)合南京工業(yè)大學(xué)等高校開(kāi)展了科研攻關(guān)，嘗試通過(guò)玻璃噴丸等技術(shù)，來(lái)指導(dǎo)乙二醇不銹鋼蒸發(fā)器等不銹鋼設(shè)備制作和維修，預(yù)防焊接接頭抗應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂發(fā)生。課題組通過(guò)理論、模擬和試驗(yàn)研究，揭示了焊接接頭及其特種噴丸處理和應(yīng)用中的規(guī)律，對(duì)新工藝進(jìn)行優(yōu)化，開(kāi)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(yīng)力腐蝕斷裂技術(shù)。該技術(shù)通過(guò)在焊接接頭表面產(chǎn)生納米晶粒及壓應(yīng)力層，從根本上解決了化工裝置應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂問(wèn)題，并具有工藝簡(jiǎn)單、高效、環(huán)保和低成本的特點(diǎn)。

　　目前，這3種技術(shù)都已應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)，各有特色，可以根據(jù)待處理設(shè)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(shù)效率高，操作方便，適合大面積處理，但裝置現(xiàn)場(chǎng)無(wú)法使用，只能在設(shè)備制造廠家使用，主要應(yīng)用于新設(shè)備；超聲波噴丸綠色、高效、易操作，壓應(yīng)力層深，適合于裝置現(xiàn)場(chǎng)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(xiàng)目成果效益顯著

　　“采用新技術(shù)后，不銹鋼設(shè)備的抗應(yīng)力腐蝕性能得到了很大的提高，設(shè)備的安全性能大幅提升，設(shè)備的使用壽命有效延長(zhǎng)。”史永紅說(shuō)，2005年以來(lái)，揚(yáng)子石化乙二醇裝置中多臺(tái)更新的不銹鋼設(shè)備在制造階段應(yīng)用了玻璃噴丸技術(shù)，至今這些設(shè)備還未出現(xiàn)應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂；2012年，3臺(tái)在用的乙二醇蒸發(fā)器也應(yīng)用了超聲波噴丸技術(shù)，至今這3臺(tái)設(shè)備再未發(fā)生應(yīng)力腐蝕裂紋。同時(shí)，新技術(shù)的應(yīng)用還節(jié)省了可觀的制造、檢修和維護(hù)費(fèi)用。以3臺(tái)更換的乙二醇蒸發(fā)器為例，相對(duì)于升級(jí)材質(zhì)，通過(guò)采用噴丸技術(shù)，3臺(tái)設(shè)備僅制造費(fèi)用就節(jié)省336萬(wàn)元。

　　針對(duì)石化、化工、電力等不同領(lǐng)域關(guān)鍵裝備的抗應(yīng)力腐蝕和疲勞失效難題，南京工業(yè)大學(xué)科研人員還開(kāi)發(fā)了一系列的低成本、高效、可靠的抗應(yīng)力腐蝕和疲勞失效的表面處理技術(shù)，發(fā)明了基于玻璃、超聲、激光的3種表面沖擊強(qiáng)化抗應(yīng)力腐蝕和疲勞方法，構(gòu)建了沖擊工藝—微觀結(jié)構(gòu)—強(qiáng)化效果協(xié)同評(píng)價(jià)體系，實(shí)現(xiàn)了表面沖擊強(qiáng)化后構(gòu)件應(yīng)力腐蝕和疲勞壽命的科學(xué)預(yù)測(cè)。

　　目前，這種新技術(shù)還應(yīng)用在揚(yáng)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(shè)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(guān)鍵裝備及離心壓縮機(jī)渦輪、輸氣管道等核心設(shè)備上進(jìn)行了應(yīng)用，設(shè)備抗應(yīng)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(wèn)題，還幫助企業(yè)獲得了重大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。（陶炎文/圖）

　　轉(zhuǎn)自：中國(guó)化工報(bào)

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