魯曉巖，孫振西，崔倩倩，沈冬奎，顧晨陽

（1.山東省安泰化工壓力容器檢驗(yàn)中心， 山東 濟(jì)南 250014）

（2.山東省產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)研究院， 山東 濟(jì)南 250102）

換熱器廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代石油、化工、冶金、供暖及電力等行業(yè)，主要通過控制溫度以滿足應(yīng)用需求，保障安全生產(chǎn)[1]。當(dāng)換熱器在腐蝕性環(huán)境下工作時(shí)，換熱管一般選用奧氏體不銹鋼。在運(yùn)行過程中，換熱器同時(shí)受到壓力、溫差及腐蝕性介質(zhì)等因素的共同作用，易出現(xiàn)腐蝕開裂問題，輕則造成設(shè)備無法運(yùn)行，重則停產(chǎn)，甚至造成人員傷亡[2]。近年來，環(huán)保理念的提升，促進(jìn)了社會(huì)對(duì)能源清潔高效利用的追求，進(jìn)而加速了新型煤化工企業(yè)的發(fā)展。對(duì)煤化工企業(yè)而言，換熱設(shè)備的安全平穩(wěn)運(yùn)行，對(duì)設(shè)備設(shè)計(jì)和企業(yè)安全穩(wěn)定平穩(wěn)運(yùn)行至關(guān)重要。因此，對(duì)失效換熱器及其零部件進(jìn)行缺陷分析，查明其產(chǎn)生的原因，對(duì)于保證安全生產(chǎn)生活具有重要作用[3]。

本文針對(duì)某企業(yè)煤化工項(xiàng)目換熱器換熱管斷裂現(xiàn)象，通過內(nèi)窺鏡檢測(cè)，對(duì)換熱管的斷裂、腐蝕和溝槽進(jìn)行觀察，綜合分析了其應(yīng)力及腐蝕機(jī)理，提出了相對(duì)應(yīng)的預(yù)防和改進(jìn)措施。

1 換熱器主要參數(shù)

該失效換熱器主要由裙座/下管箱等組成[4]，其管程和殼程設(shè)計(jì)溫度、設(shè)計(jì)壓力及材質(zhì)等主要參數(shù)如表1所示，其中斷裂換熱管材質(zhì)為S30408，對(duì)應(yīng)的國(guó)內(nèi)牌號(hào)為06Cr19Ni10，屬奧氏體不銹鋼，其標(biāo)準(zhǔn)名義組分如表2所示。

表1 換熱器主要參數(shù)

2 缺陷描述

通過內(nèi)窺鏡檢測(cè)手段，對(duì)該設(shè)備下管束的上管板自上而下共抽測(cè)205根換熱管（下管束共計(jì)3600根），其中斷裂35根，圖1為35根斷裂換熱管中抽出的4根，通過圖1可觀察到換熱管斷裂深度基本在4.6m或4.9m處（有兩根分別在4.3m和4.4m），且抽測(cè)的換熱管基本在4.3m至4.9m之間結(jié)垢，而0m至4.3m及上段管束未出現(xiàn)斷裂和結(jié)垢嚴(yán)重的現(xiàn)象，抽測(cè)的35根換熱管斷裂面很整齊，而且都分布在管束的最外側(cè)及附近，抽查的內(nèi)側(cè)未出現(xiàn)斷裂。

表2 換熱管標(biāo)準(zhǔn)名義組分表[5]

圖1 換熱管已斷裂

通過圖2可以觀察到，換熱管內(nèi)壁存在腐蝕坑，腐蝕面積很大，受腐蝕部位變黑色或變成深褐色，推測(cè)可能為電化學(xué)腐蝕產(chǎn)生。通過圖3可看到，在換熱管內(nèi)壁4.6m或4.9m處存在溝槽，而且抽測(cè)的許多換熱管都存在溝槽，通過圖3(c)可看到溝槽起始和結(jié)束處不在同一平面，而且在其它抽測(cè)的換熱管中也存在這一現(xiàn)象，且該設(shè)備中未觀察到補(bǔ)償器，推測(cè)由于殼程流體溫度高于管程，導(dǎo)致筒體的伸長(zhǎng)量大于筒內(nèi)的管束，進(jìn)而造成管束受到拉應(yīng)力，當(dāng)拉應(yīng)力達(dá)到管材的強(qiáng)度極限時(shí)，管頭焊縫將開裂破壞（如圖1）。

圖2 換熱管腐蝕

圖3 未斷裂換熱管4.6m或4.9m處出現(xiàn)的溝槽

3 腐蝕斷裂原因分析

通過圖1及該設(shè)備工況，推測(cè)其腐蝕過程如下[6]：進(jìn)入換熱器的氣體介質(zhì)中含有水分時(shí)，這些H2O換熱管壁上形成水膜，并電解產(chǎn)生H+和OH-離子，換熱介質(zhì)中的CO2、H2S等酸性氣體溶于水，導(dǎo)致H+濃度增加：

如式（1）式（2）所示，鋼管處于含HS-離子的電解質(zhì)溶液中，鋼管材料中的Fe作為陽極，與之緊密接觸的“雜質(zhì)”C（石墨或滲碳體）作為陰極，形成了類似的原電池。反應(yīng)式為：

上述原電池反應(yīng)造成陽極鐵的犧牲，生成氫氧化物和可溶性鐵鹽，這就導(dǎo)致了鋼管的腐蝕穿孔。由以上分析可見，要避免鋼管的腐蝕，必須要避開形成電池的必要條件，也就是水的存在。因此，要防止換熱器管材的腐蝕，最關(guān)鍵的是控制進(jìn)入換熱器的氣體處于干燥狀態(tài)（即：混合氣體介質(zhì)溫度高于露點(diǎn)溫度20℃以上）[7]。在化肥生產(chǎn)過程中，半水煤氣等介質(zhì)具有易結(jié)垢、強(qiáng)腐蝕性的特點(diǎn)，因此推測(cè)在管束介質(zhì)自下而上流動(dòng)過程中，在4.9m先換熱，這段先結(jié)垢直至4.3m，換熱管內(nèi)壁產(chǎn)生嚴(yán)重結(jié)垢現(xiàn)象，除此之外該設(shè)備殼程換熱介質(zhì)溫度高于管程，導(dǎo)致筒體的伸長(zhǎng)量大于管束，且該設(shè)備未安裝溫度補(bǔ)償器，而且換熱管斷裂初步判定為由外及內(nèi)，進(jìn)一步驗(yàn)證換熱管內(nèi)壁溝槽由殼程筒體的伸長(zhǎng)量大于管束，靠近筒體處的換熱管先受力而引起（如圖3）。在4.3、4.4m、4.6m或4.9m處出現(xiàn)斷裂，推測(cè)管束介質(zhì)和殼程介質(zhì)首先在4.3m至4.6m處對(duì)流換熱，因此這段溫差較大，換熱管受到的拉應(yīng)力也最大。在受到的拉應(yīng)力及腐蝕相互作用下，造成換熱管斷裂（如圖1）。

4 預(yù)防及改進(jìn)措施

4.1 添加飽和蒸汽

添加飽和蒸汽使其成為過熱蒸汽以提高進(jìn)入熱交換器半水煤氣的溫度，并防止冷凝水析出。使飽和蒸汽過熱到300℃左右后進(jìn)入換熱設(shè)備，與飽和塔出口原料氣充分混合后，建立新的熱平衡。當(dāng)過熱蒸汽的熱量足夠多時(shí)，就可以將氣體中的水分氣化。從前面分析可知，進(jìn)入換熱器的混合氣體“無液態(tài)水的干燥狀態(tài)”，這就避免了管材的腐蝕，且在先前的實(shí)踐中得到了驗(yàn)證。近年來，隨著換熱器工藝技術(shù)的發(fā)展，過熱蒸汽的添加量逐漸減少，由于過熱程度有限，使得添加過熱蒸汽的措施難以將進(jìn)入換熱器的氣體處于過熱狀態(tài)。

4.2 增設(shè)預(yù)腐蝕器

在熱交換器前的汽水分離器中設(shè)置鋼環(huán)填料層，使氣體經(jīng)汽水分離后，再通過鋼環(huán)填料進(jìn)入換熱器管道。鋼環(huán)填料作為預(yù)腐蝕器，使氣體中的腐蝕性組分在進(jìn)入換熱管道前，先腐蝕鋼環(huán)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)換熱器的保護(hù)。其實(shí)，在本設(shè)備下段管束的4.3m至4.9m這段就是起到了提前預(yù)熱，對(duì)管束介質(zhì)干燥的作用，因此結(jié)垢嚴(yán)重。這種方案在部分小型化工廠有廣泛的應(yīng)用，但存在一些明顯的問題：氣體中的腐蝕性組分（CO2、H2S、O2等）在鋼環(huán)內(nèi)不可能全消耗完，且水（形成電化學(xué)腐蝕的必要條件）仍存在，因此增設(shè)預(yù)腐蝕器的方法能在一定程度上減輕換熱器管材的腐蝕，但并不能避免腐蝕的出現(xiàn)。

4.3 改變換熱器結(jié)構(gòu)

換熱器的結(jié)構(gòu)對(duì)于其換熱效果和防腐效果起著關(guān)鍵作用，通過在原有換熱器外加套筒，使之與換熱器筒體形成夾套的方法，可使飽和塔出口添加蒸汽后的混合氣經(jīng)汽水分離后首先從底部進(jìn)入夾套，與換熱器殼程氣體換熱，使其中夾帶的水分氣化，處于過熱狀態(tài)，再從夾套頂部進(jìn)入換熱器進(jìn)行換熱[7]。此時(shí)，進(jìn)入換熱管的氣體已處于干燥狀態(tài)，換熱過程管材就不會(huì)再被腐蝕。這種外加夾套換熱器曾在低壓換熱設(shè)備中采用過，并取得了較好的防腐效果。

4.4 增設(shè)波紋膨脹節(jié)

在換熱器的設(shè)計(jì)過程，考慮到管程和殼程換熱介質(zhì)的溫差較大，由于熱脹冷縮效應(yīng)，管束與筒體產(chǎn)生的伸長(zhǎng)量不同，如果不采取相應(yīng)的熱補(bǔ)償方案，管束與筒體間將會(huì)產(chǎn)生較大的溫差應(yīng)力，應(yīng)力達(dá)到管材的應(yīng)力極限時(shí)就會(huì)發(fā)生斷裂，嚴(yán)重影響設(shè)備正常運(yùn)行。可采用在管箱介質(zhì)出口處增設(shè)波紋管膨脹節(jié)的方法進(jìn)行熱應(yīng)力補(bǔ)償，將殼體的拉伸造成的對(duì)管束的拉應(yīng)力轉(zhuǎn)移到波紋管膨脹節(jié)上。這時(shí)，管束的伸長(zhǎng)可轉(zhuǎn)移到膨脹節(jié)上，使管板與管頭的焊接焊縫不受拉應(yīng)力，便實(shí)現(xiàn)了對(duì)應(yīng)力腐蝕的防止，如圖4所示。

圖4 增設(shè)有波紋管的換熱器

5 結(jié)論

（1）奧氏體換熱管斷裂主要是由管程與殼程間溫差引起的拉伸長(zhǎng)度不同，達(dá)到管材的應(yīng)力極限以及管束介質(zhì)內(nèi)水分與管材形成的電化學(xué)腐蝕而造成的。

（2）設(shè)備運(yùn)行過程中，管內(nèi)結(jié)垢位置、出現(xiàn)溝槽位置均與斷裂位置一致，在4.6m到4.9m之間。

（3）建議廠方增設(shè)有膨脹節(jié)的換熱器，用于補(bǔ)償溫差引起的管束與筒體之間不同伸長(zhǎng)量，減輕應(yīng)力極限引起的斷裂。

◆參考文獻(xiàn)

[1] 王春暉. 換熱器波紋管失效分析[J].失效分析與預(yù)防，2010，5(2)：98-101.

[2] 曹海平. 煤化工酚氨回收器0Cr18Ni9不銹鋼換熱管斷裂原因分析及對(duì)策[J].化肥設(shè)計(jì)，2019，57(2)：46-50.

[3] 劉鴻彥，左曉婷，郗運(yùn)富，等. 再沸器中S30403換熱管的斷裂失效分析[J].石油和化工設(shè)備，2019，22(8)：5-8.

[4] 邸廣民，吳冬果. 變換熱交換器的管束結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].石油和化工設(shè)備，2014，17(3)：20-23.

[5] GB/T 24593-2009，鍋爐和熱交換器用奧氏體不銹鋼焊接鋼管[S].

[6] 穆中，荊三偉. 變換換熱器的腐蝕與防止[J].小氮肥，2008，36(8)：6-8.

[7] 穆中，荊三偉. 變換熱交換器的腐蝕與防止[J].中氮肥，2008，(3)：38-40.