苯乙烯脱氢系统反应器失效分析及防范措施

摘要

某公司苯乙烯装置脱氢系统高温奥氏体不锈钢设备、管道等多处发生裂纹引起的破坏，造成装置停车。其中第二反应器MR201B锥形上封头本体与加强圈上部焊缝出现多条穿透和未穿透裂纹，主裂纹已穿透，长度达1250mm。因此通过研究分析，查明失效的原因，评估设备运行状况，提出修复方案和安全运行措施，消除系统存在的安全隐患，对保证装置的安全运行意义重大。 宏观观察裂纹发生在焊缝热影响区，方向与焊缝平行，断口呈脆性形貌，主裂纹存在大量树枝状分支裂纹，具有应力腐蚀的特征。现场厚度检测整台设备未发生减薄现象，射线检测简体等焊缝亦未发现须返修缺陷，材料化学成分分析表明材料符合标准要求，这表明使用材料、制造质量符合要求，没有发生均匀腐蚀。硬度检查开裂的锥形封头冷加工圆弧过渡段整体接近标准最大值，局部已超标；金相和扫描电镜检查设备整体组织为奥氏体，晶间有碳化物析出；过渡段部位发生裂纹的焊缝热影响区部位存在晶间开裂带，裂纹部位有晶粒脱落，焊缝热影响区晶粒粗大。腐蚀介质分析表明原始外保温材料复合硅酸盐的氯离子和硫酸根含量过高，在裂纹附近的腐蚀产物中也大量存在氯离子和硫酸根离子；内部检测到有流失的催化剂钾等存在。通过有限元应力分析发现，结构对应力的影响最大，裂纹发生部位存在应力集中；正常操作压力下的薄膜和工作应力不会引起破坏，而温差过大和压力波动引起的温差和交变应力则会造成局部强度破坏或疲劳破坏。 综合分析表明，裂纹是奥氏体不锈钢发生沿晶应力腐蚀所致。外保温层中的氯离子在雨水等液体渗入状态下产生沉积浓缩，在较低温度下构成湿腐蚀环境，应力来源主要是焊接和机械加工的残余应力，由过大的冷加工变形引起奥氏体-马氏体转变，使材料强度升高，韧性下降，在高温下晶间形成σ相，使性能急剧降低；环境、应力和材料组织三个条件构成腐蚀发生的条件。长期敏化温度下工作，会使奥氏体不锈钢材料的强度提高，韧性下降，最终发生蠕变开裂。建议在设备运行中，要保持运行平稳，避免形成腐蚀环境；针对负压条件，通过氧含量和局部温度的测量来判断是否开裂；在修复上，可采用挖补加贴补、局部更换和整体更换；在检测上，采用监测金相和硬度变化来判别材料的劣化程度；在新设备上，通过有限元应力一热应力分析等方法优化结构，对外保温材料需避免腐蚀介质，冷加工成型后的固溶处理和焊后热处理消除组织转变及应力集中。 通过本研究表明防止不锈钢设备高温腐蚀，冷加工成型后的热处理，高温设备的结构优化设计和国产304H高温性能研究等是保证设备安全的重点。

目录

文摘

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声明

第一章绪论

1.1研究的背景

1.2研究意义

1.2.1工艺流程概述

1.2.2苯乙烯装置苯乙烯单元的技术现状

1.2.3脱氢反应系统存在的问题

1.2.4主要问题描述与处理过程

1.3国内外研究现状

1.3.1国内采用Lummus技术苯乙烯装置的情况

1.3.2国内外采用Badger技术苯乙烯装置的情况

1.4研究方案

1.4.1研究目标的确定

1.4.2采取的研究方法和技术路线

1.4.3研究结果分析

1.5本章小结

第二章材料和裂纹的检验分析

2.1裂纹的宏观形貌分析

2.2反应器无损检测

2.3设备材料的金相分析

2.4 MR201B材料的化学成分分析和力学性能检测

2.4.1材料的化学成分分析

2.4.2材料的力学性能分析

2.5断口微观结构和腐蚀产物分析

2.5.1断口的扫描电镜检验

2.5.2断口的能谱分析

2.6本章小结

第三章腐蚀介质检测与分析

3.1保温材料与腐蚀产物的检验

3.1.1保温材料的检验

3.1.2腐蚀残留物的检验

3.2介质的检验结果

3.2.1取样介质与部位

3.2.2.分析内容

3.2.3腐蚀介质分析结果和评介

3.3催化剂检验结果

3.4本章小结

第四章反应器封头有限元应力分析

4.1应力计算

4.1.1计算条件

4.1.2应力分析模型及假设条件

4.1.3计算结果

4.2结果分析

4.2.1应力计算结果

4.2.2应力计算分析

4.2.3应力的影响因素

4.3本章小结

第五章304型不锈钢的性能及腐蚀机理

5.1 304H不锈钢性能

5.1.1 304H的化学成分和机械性能

5.1.2 304H不锈钢的机械性能和耐蚀性能

5.2不锈钢的应力腐蚀

5.2.1应力腐蚀的特点

5.2.2应力腐蚀的影响因素

5.2.3应力腐蚀的机理

5.3奥氏体不锈钢的应力腐蚀

5.3.1高温碱引起的应力腐蚀

5.3.2氯化物水溶液引起的应力腐蚀

5.3.3防护不锈钢SCC的方法

5.4本章小结

第六章综合分析与实用验证

6.1反应器应力腐蚀影响因素分析

6.1.1应力条件

6.1.2环境条件

6.1.3冶金成分和结构影响

6.2实用验证

6.2.1贴补修复

6.2.2 310S不锈钢封头存在的问题

6.3反应器破坏的防护措施和改进

6.3.1腐蚀环境的消除和设备状况的改善

6.3.2操作和监测

6.3.3修复与改进

结论

建议

参考文献

攻读硕士学位期间取得的研究成果

致谢

评定意见