稀釋蒸汽發(fā)生器管口泄漏原因分析和對策

湯忠民

(中國石化上海石油化工股份有限公司烯烴事業(yè)部，200540)

中國石化上海石油化工股份有限公司乙烯改擴建工程于2002年4月投入使用，其中的稀釋蒸汽發(fā)生器是改擴建工程中裂解區(qū)的換熱器，一共有2臺，設(shè)備位號為E－EA2170A/B。該換熱器是固定管板式換熱器，立式布置，管子與管板采用強度焊加貼脹的方式連接。這2臺換熱器在投入使用不到半年就發(fā)生管口泄漏故障。經(jīng)查泄漏點處于管口密封焊處或熱影響區(qū)，且泄漏以微裂紋形式出現(xiàn)，裂紋垂直于焊縫方向，呈網(wǎng)狀或龜裂狀，氣密捉漏時呈蟹沫狀泄漏;同時在下管板管口焊縫處發(fā)現(xiàn)多個腐蝕坑，有十幾處管口與管板焊縫已腐蝕穿孔，管口與管板上最大一塊腐蝕坑的面積已達約2 cm2。

從管口的腐蝕形狀來看，該換熱器呈現(xiàn)出應(yīng)力腐蝕和汽蝕的特征。當(dāng)時對泄漏部位進行了打磨、補焊，然后投入使用。但使用不久，2臺換熱器又發(fā)生泄漏，以后每隔兩個月左右，換熱器就要進行檢修，管口的泄漏達200多處。2003年4月，考慮對該換熱器進行報廢更換，提出了對該設(shè)備應(yīng)力計算的懷疑，并與設(shè)計單位共同進行了設(shè)備損壞原因分析。但設(shè)計單位認為，該換熱器在應(yīng)力設(shè)計上沒有問題，能通過設(shè)計程序計算，認為可能是制造上的問題，因此不同意對該換熱器進行設(shè)計修改。2004年，對這2臺換熱器按原設(shè)計制造，進行了更換，并由原制造廠進行制造。投入使用半年后，2臺換熱器又發(fā)生管口泄漏，換熱器的泄漏情況與以前一樣。為此，我們對腐蝕泄漏的原因進行了深入分析。

1 應(yīng)力腐蝕產(chǎn)生原因

應(yīng)力腐蝕產(chǎn)生的條件是存在著應(yīng)力和腐蝕環(huán)境，應(yīng)力與腐蝕介質(zhì)的關(guān)系不是簡單的相加關(guān)系，而是相互配合、相互促進的作用。一般認為，導(dǎo)致應(yīng)力腐蝕的應(yīng)力必須是拉應(yīng)力，壓應(yīng)力是不會產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕的。以下就從換熱器的結(jié)構(gòu)和工藝介質(zhì)來進行分析。

1.1 工藝介質(zhì)的分析

該換熱器在運行中，殼程介質(zhì)是1.65 MPa的中壓過熱蒸汽，其進口溫度為568 K，出口溫度為478 K。管程是飽和工藝水，溫度是443 K。其工藝過程為:飽和工藝水由立式換熱器的下部進入，在管程中吸熱蒸發(fā)，形成一定含汽率的工藝水，然后出換熱器，進入E－FA2170汽包進行汽水分離，水通過下降管進入換熱器的進口進行再加熱，飽和蒸汽外送作為稀釋蒸汽進入裂解爐。稀釋蒸汽中的汽水系統(tǒng)是自然循環(huán)的，換熱器的管程中的工藝水在被加熱過程中，水吸收汽化潛熱進行汽化，其壓力和溫度不變。

換熱器的熱源中壓蒸汽是鍋爐產(chǎn)生的高壓蒸汽經(jīng)透平做功后減溫減壓得到的，其蒸汽品質(zhì)能得到保證。而作為吸熱的工藝水是由乙烯裝置中循環(huán)急冷水、鍋爐排污水、裂解氣中冷凝下來的水組成的，工藝水在換熱器中被加熱，產(chǎn)生稀釋蒸汽進入裂解爐中與裂解原料一起裂解，在急冷水塔被冷卻作為稀釋蒸汽發(fā)生器的工藝水被重復(fù)利用。由于裂解氣中含有硫化氫、二氧化碳、有機酸及微量的氯化氫，在急冷水中、工藝水及稀釋蒸汽發(fā)生系統(tǒng)中構(gòu)成一個 H2S－CO2－HCl－H2O［1］，具有弱酸性，而且較臟。為了避免設(shè)備的腐蝕，要注入堿和緩蝕劑來調(diào)整工藝水中的pH值。由于裂解原料是由市場采購的，不同的裂解原料的硫質(zhì)量濃度是不同的，裂解氣的硫質(zhì)量濃度也是不同的，因此在實際中工藝水中的pH值也是在變化的，此外，為了避免工藝水的乳化，工藝水的pH值控制在8以下，一般在7左右。在工藝水被加熱的過程中對設(shè)備腐蝕是不可避免的。因此，工藝水中具備了應(yīng)力腐蝕的環(huán)境條件。

1.2 管程和殼程應(yīng)力的分析

由于換熱器的管殼程溫度不同，在運行中其膨脹量也不同，而稀釋蒸汽換熱器的殼程溫度高于管程，在運行中，殼程的膨脹量大于管程。因此，在運行中殼程受到壓應(yīng)力，管程的管子受到的是拉應(yīng)力，管殼程的膨脹量差形成的應(yīng)力集中在管板和管子的連接部位上，在管板焊口處產(chǎn)生拉應(yīng)力，為應(yīng)力腐蝕產(chǎn)生了條件。

管、殼程材料的膨脹量按以下公式計算［2］:

式中:△L——膨脹量，mm;

α——材料的膨脹系數(shù)，K－1;

L1——材料筒體與管子的長度，mm;

△T——筒體和管子的工作溫度與制造時的環(huán)境溫度差，K。

10#鋼和16MnR鋼的膨脹系數(shù)α相同，取值為8.31 ×10－6K－1［2］。制造時的環(huán)境溫度也是相同的，筒體加上管板的厚度是與管子的長度相同的。因此，管殼程在工作中的膨脹量差可以按式(1)計算。殼程的溫度根據(jù)設(shè)計計算條件為492.0 K，管子的設(shè)計計算溫度為448.2 K，管殼程的膨脹量差為:

鋼材的屈服形變一般在0.2%，也就是說，鋼材在0.2%的形變范圍內(nèi)是彈性變形，鋼材的形變超過0.2%以后，材料是以屈服的形式來對抗形變的。E－EA2170管程和筒體的長度為4 000 mm，工程上認可材料開始屈服的形變量為8 mm，而換熱器的殼體與管程的膨脹量差大14.29 mm，遠大于材料的屈服形變點。因此，在運行中，管子受到拉應(yīng)力，筒體受到壓應(yīng)力，管子的形變量已超過了屈服形變量，已處于非彈性變形范圍。管子在局部薄弱部位發(fā)生屈服硬化，在管口焊縫處造成應(yīng)力集中，給管口的應(yīng)力腐蝕創(chuàng)造了條件。

此外，在運行中，管殼程的壓力是不同的，E－EA2170管程的壓力為0.69 MPa，殼程的壓力為1.65 MPa，兩者的壓力差為0.96 MPa。不考慮殼體徑向方面的形變對軸向力的影響，壓差應(yīng)力最終作用在管板與管子的連接部位上，管口也受到拉應(yīng)力。壓差應(yīng)力和溫差應(yīng)力這兩者的應(yīng)力方向是一致的，管口在這兩種應(yīng)力的疊加作用下，其連接處因部分管子超過其所能承受的應(yīng)力而出現(xiàn)微裂紋，再加上工藝水中存在的腐蝕介質(zhì)，pH值在7左右波動，使管子、焊口及熱影響區(qū)薄弱部位產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕微裂紋，裂紋不斷擴展，最終發(fā)生開裂泄漏。

2 蒸發(fā)過程對管口泄漏的影響

稀釋蒸汽發(fā)生器和汽包的水自然循環(huán)倍率由多種因素決定的，上升管的入口位置對循環(huán)倍率是有影響的，上升管在汽包的汽相，能提高水的循環(huán)倍率，有利于傳熱。稀釋蒸汽發(fā)生系統(tǒng)的上升管入口位置較低，在液相，這有可能使系統(tǒng)循環(huán)倍率過小，使換熱器流動阻力增大，增加了汽蝕發(fā)生的概率。換熱器管口與管板連接處汽蝕照片見圖1。從圖1可以看到，換熱管管口已有腐蝕、減薄缺口，管口和管板的焊縫區(qū)有明顯的凹坑，呈現(xiàn)出汽蝕的特征。

圖1 換熱器管口與管板連接處汽蝕照片

換熱器管子與管板的連接設(shè)計，采用強度焊加貼脹的工藝，管子冒出管板5 mm，換熱器在運行中，飽和水從下部進入。在下管板，水流在管口處管子伸出部位發(fā)生流動變化，由于管口焊縫處突出以及焊縫的不圓整，在該處相當(dāng)于一個個小水壩，水流動到此處形成渦流滯留區(qū)，這里的水受到殼程蒸汽通過管板熱量傳遞而被加熱汽化，存在汽、液相變閃蒸過程，形成一個個小汽泡。汽泡破裂時，周圍的液體迅速填充，形成新的汽泡，每個汽泡破裂時都會產(chǎn)生微小的能量沖擊，小能量多次沖擊，形成水滴石穿的效果，產(chǎn)生噪音和震動并剝蝕設(shè)備，在焊縫及熱影響區(qū)發(fā)生腐蝕，即所謂的汽蝕。

換熱管在傳熱時，熱量通過金屬壁傳給管內(nèi)的飽和水，水蒸發(fā)產(chǎn)生汽泡被擠壓到管子中央，不與管壁接觸，管壁的水流動保持著層流運動，含汽的水流通過管子內(nèi)部高速流動排出上管板，進入汽包，在管內(nèi)壁不存在停留點。因此管子內(nèi)部不會發(fā)生汽蝕現(xiàn)象。在上管板處，也有同樣的管口連接型式，管板接口處也會存在著積液被蒸發(fā)現(xiàn)象，由于汽水是往上抽出的，蒸發(fā)的汽水迅速脫離管板，水蒸發(fā)產(chǎn)生的爆破力對管口的影響因素小，因此上管板的汽蝕比下管板輕的多。這也就是E－EA2170換熱器下管板管口發(fā)生汽蝕原因。

此外，在同樣的應(yīng)力條件下，在單相溶液中的腐蝕速率比有相變的溶液緩慢［3］，因此，稀釋蒸汽發(fā)生器的腐蝕發(fā)生在與相變介質(zhì)相接觸的管板與管子的連接部位上。

3 制造工藝對換熱器管口泄漏的影響

EA2170換熱器共有2 730根管子，直徑達到2 m，該換熱器采用強度焊加貼脹的制造工藝，在制造過程中，每根換熱管其外徑是有偏差的，穿管時還有安裝誤差，管子與管板管孔間隙沿軸向是不均勻的。當(dāng)焊接完成后脹接時，管子中心線必須與管板管孔中心線相重合。當(dāng)間隙很小時，未脹管段將可以減輕脹接變形對焊接的影響。當(dāng)間隙和管子的剛性較大，過大的脹接變形將越過緩沖未脹區(qū)對焊接接頭產(chǎn)生損傷，甚至造成焊口脫焊。所以對于先焊后脹工藝，控制管子與管板孔的精度及其配合為首要的問題。

如果在制造中管板與管口之間毛刺或管板鉆孔處油污未處理干凈，會造成焊接強度降低和管子貼脹不到位。該換熱器由于管子數(shù)量多，在制造中也有可能有少量管子漏脹，這在試壓檢驗中很難檢查出。漏脹的管口或脹接不到位的管口，管子與管孔之密封性能就得不到保證，管子與管板間隙可能會發(fā)生蒸汽冷凝水濃縮現(xiàn)象，在這間隙中發(fā)生間隙腐蝕，造成管口焊縫拉裂破壞。

管子在焊接后的試壓過程，也是制造的重要環(huán)節(jié)，即采用氣體進行試壓，合格后再進行貼脹。如果用水試壓，管子與管板處的水是不容易排干凈的，在脹接的過程中，管板和管子中未排干凈的水被封存在管口那段15 mm的焊接與脹接之間的禁脹區(qū)，在運行中，這部分水被加熱蒸發(fā)，形成新的氣壓，其壓力有可能破壞焊口。

由于焊縫屬于非均質(zhì)材料，又是各種應(yīng)力的疊加的集中處，其表面的脆化層易剝離成為缺陷區(qū)，形成微裂紋源，再加上焊縫本身可能存在著缺陷，因此在設(shè)備運行中，在腐蝕環(huán)境和拉應(yīng)力共同作用下，產(chǎn)生穿透性裂紋，從而導(dǎo)致焊縫泄漏［4］。

4 結(jié)論與對策

(1)EA－2170稀釋蒸汽發(fā)生器管口發(fā)生泄漏的主要原因:一是管程和殼程有較大的溫差，管子材料在溫差應(yīng)力的作用下被過度拉伸;二是換熱器的管殼程壓差較大，殼程的壓力大于管程，壓差應(yīng)力作用方向與溫差應(yīng)力方向一致，兩種應(yīng)力疊加，在管子與管板的焊口產(chǎn)生拉應(yīng)力，為應(yīng)力腐蝕創(chuàng)造了條件;三是工藝水含有一定的弱酸介質(zhì)，且較臟。如果pH值控制不嚴，會在管口處形成腐蝕環(huán)境，在應(yīng)力的作用下，造成管口應(yīng)力腐蝕泄漏。

(2)殼程的加熱蒸汽溫度過高，再加上管口的冒口加強焊結(jié)構(gòu)，使管口處形狀突變，在管板與管口處工藝水形成流動滯留區(qū)，水在管口焊接處被蒸發(fā)，產(chǎn)生汽泡，汽泡破裂，形成能量沖擊，使管口焊縫剝離并發(fā)生汽蝕。

(3)制造中的一些缺陷也會對換熱器的管口泄漏產(chǎn)生影響，特別是貼脹漏脹和貼脹未到位，會使蒸汽冷凝水存在管子與管板的縫隙中，產(chǎn)生水濃縮，形成間隙腐蝕。

(4)對換熱器殼體加裝Ω型膨脹節(jié)，消除溫差應(yīng)力和壓差應(yīng)力對管口的影響;在工藝上嚴格控制工藝水的pH值，減少其應(yīng)力腐蝕發(fā)生的幾率;在換熱器的入口處，補充一股過冷水到工藝水，降低工藝水的入口焓值，減輕工藝水在下管板處發(fā)生汽化的概率。

(5)對換熱器的材料進行升級，管板和管子采用不銹鋼材料，使其增加材料的耐蝕能力。利用不銹管材料的線膨脹因子比16MnR大35%左右的因素，從而增加管子的膨脹量，縮小筒體與管子的膨脹量差，達到降低溫差應(yīng)力的目的。經(jīng)估算，如管子與管板采用不銹鋼，筒體采用16MnR，在此工藝條件下運行，筒體與管子的膨脹量差在1 mm左右，溫差應(yīng)力對管口的影響可以忽略不計。

(6)選擇合格的換熱管制造商，按GB/T 9948－2006《石油裂化用無縫鋼管》或 GB 13296－1991《鍋爐熱交換器用不銹鋼無縫鋼管》采購換熱管，使換熱器管的質(zhì)量得到保證，并且選擇專業(yè)的、質(zhì)量可靠的換熱器廠商制造該換熱器;管口結(jié)構(gòu)采用平頭結(jié)構(gòu)，或管子與管板采用內(nèi)孔焊結(jié)構(gòu)，以減小管口處水流動的阻力，避免管口處水滯留產(chǎn)生的蒸發(fā)，從而避免引起管口焊接處的汽蝕。

(7)在2008年對E－EA2170換熱器進行了以上措施的整改和落實，換熱器使用2年后檢查，未發(fā)現(xiàn)泄漏，從而解決了換熱器泄漏的問題。

1 陳匡民主編.過程裝備腐蝕與防護［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2001.

2 潘家禎主編.壓力容器材料使用手冊——碳鋼及合金鋼［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2000.

3 孫奉仲主編.換熱器的可靠性與故障分析導(dǎo)論［M］.北京:中國標準出版社，1998.

4 何秀蘭.換熱器列管與管板焊接應(yīng)力腐蝕裂紋的防治［J］.一重技術(shù)，2005(5):47－48.