乙烯裝置急冷油換熱器穿孔失效分析

王勝輝 顧福明 楊宇清

（上海市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院)

換熱技術(shù)

乙烯裝置急冷油換熱器穿孔失效分析

王勝輝*顧福明 楊宇清

（上海市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院)

某換熱器的換熱管束在換上不到1年就發(fā)生腐蝕穿孔失效。采用化學(xué)成分和宏觀、微觀形貌檢測(cè)方法對(duì)失效原因進(jìn)行了分析。分析結(jié)果表明，局部堿脆是引起腐蝕穿孔的主要原因。提出了預(yù)防換熱管失效的建議

換熱管 腐蝕 堿脆 換熱器

Abstract：The corrosion and perforation phenomenon of the bundle ofheatexchanger tube turned up with using less than a year.The reasonsof the failure have been studied by chemical composition analysis andmacro-andmicromorphology testingmethod.The results show that caustic embittermentwas themain reason caused corrosion and perforation phenomenon.Provided some proposes to prevent the failure ofheatexchange tube.

Key words：Heatexchange tube;Corrosion;Caustic embrittlement;Heatexchanger

0 前言

乙烯裝置中，工藝水汽提系統(tǒng)是急冷系統(tǒng)的重要組成部分之一。利用從裂解氣中分離出的急冷油和工藝水進(jìn)行熱交換制得稀釋蒸汽，再用稀釋蒸汽把熱量帶回裂解爐或送出系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)熱循環(huán)，可達(dá)到節(jié)能的目的[1]。其中，急冷油/稀釋蒸汽換熱器是該系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)熱交換最關(guān)鍵的設(shè)備之一，其安全、穩(wěn)定、高效的運(yùn)行對(duì)確保乙烯裝置的正常運(yùn)轉(zhuǎn)具有重要的意義和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

某急冷油/稀釋蒸汽換熱器的換熱管在使用不到1年后發(fā)生了局部腐蝕穿孔失效。該換熱器為圓筒形的臥式結(jié)構(gòu)，筒體內(nèi)由下往上共布置四排換熱管束，見圖1，前端為固定管板，后端為浮頭，尺寸?2 400×9 000 mm， 材質(zhì) 16M nⅢ， 內(nèi) 置 管 束5 925根，換熱面積3 005m2。換熱器利用管程內(nèi)的高溫急冷油來加熱殼程的工藝水稀釋蒸汽。管程通急冷油，管子規(guī)格?19×2mm，材質(zhì)10號(hào)鋼，進(jìn)口溫度195℃，出口溫度175.6℃，操作壓力0.725MPa；殼程走工藝水稀釋蒸汽，進(jìn)口和出口溫度分別為170.2℃和170.8℃，操作壓力0.706MPa。

圖1 筒體內(nèi)四排換熱器管束

1 理化檢驗(yàn)

1.1 工藝水分析

工藝水本身含有酸性介質(zhì)，工藝水汽提系統(tǒng)采用中和胺與NaOH的混合溶液 （原僅為中和胺）對(duì)酸性工藝水進(jìn)行加堿處理，使其保持弱堿性，維持pH值在7.5～9.5的合適范圍。據(jù)廠方介紹，當(dāng)前的工藝是使換熱器殼程中工藝水的pH值保持在9.2左右。但根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，工藝水的pH值波動(dòng)劇烈、波動(dòng)頻繁，pH值有較長(zhǎng)時(shí)間超出7.5～9.5的范圍，甚至超過11。

對(duì)工藝水中的陽(yáng)離子進(jìn)行成分分析，結(jié)果顯示，其中主要含有Na+，含量高達(dá)28.54mg/L，F(xiàn)e離子含量則不高，只有0.16mg/L。這一結(jié)果說明，因調(diào)節(jié)工藝水pH值而加入大量NaOH，結(jié)果導(dǎo)致堿液濃度過大，從而引起腐蝕。但Fe元素含量低，說明這一腐蝕不屬于均勻腐蝕，只是在材料表面?zhèn)€別位置出現(xiàn)局部腐蝕。

1.2 宏觀檢驗(yàn)

失效換熱管子的腐蝕形貌如圖2所示。由圖2(a)、(b)可見，失效的換熱管表面距換熱器浮頭約1.9m處有三個(gè)相鄰的腐蝕凹坑，直徑在4～8mm不等。其中左邊與中間的2個(gè)凹坑未穿孔，中間的凹坑呈放射性條狀凹陷形貌；最右邊的一個(gè)凹坑已穿孔，孔徑約2mm，見圖2(c)。發(fā)現(xiàn)管子內(nèi)表面穿孔直徑小于外表面，因此判斷管子的腐蝕穿孔是從外壁開始的。我們分析的是該凹坑的右側(cè)部分，即半個(gè)凹坑。

1.3化學(xué)成分分析

對(duì)失效換熱管子進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果詳見表1。由表1可知，失效管的化學(xué)成分符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求[2]。

1.4金相分析

換熱管為塊狀鐵素體+珠光體組織結(jié)構(gòu)，鐵素體中的夾雜物分布均勻，但珠光體含量偏高且發(fā)生了一定程度的溶解，易成為腐蝕發(fā)生的起始點(diǎn)。換熱管的晶粒度評(píng)定等級(jí)為6級(jí)，其金相組織照片見圖 3。

圖2 換熱器失效換熱管宏觀形貌

表1 失效換熱管的化學(xué)成分（%）

圖3 換熱器失效管子金相組織

1.5掃描電鏡與能譜分析

對(duì)換熱管凹坑處進(jìn)行掃描電鏡分析，其腐蝕形貌見圖4。圖4(a)所示為破口剖面的整體形貌，剖面上可見大面積的蝕坑群，圖4(b)即為蝕坑的局部放大形貌。同時(shí)可見剖面上存在大塊的腐蝕產(chǎn)物，見圖4(c)。對(duì)破口剖面另一位置觀察發(fā)現(xiàn)，剖面上同時(shí)還存在較為明顯的顯微裂紋，見圖4(d)。對(duì)裂紋進(jìn)一步放大可見，裂紋周圍還有更小的裂紋，見圖4(e)，而裂紋內(nèi)部也有層層相疊的小裂紋，見圖4(f)，這兩個(gè)現(xiàn)象都較為明顯地驗(yàn)證了剖面上的裂紋是由更小的相鄰顯微裂紋擴(kuò)展連體所致。

圖4 換熱器失效管破口微觀形貌

對(duì)圖4(c)中A、 B兩點(diǎn)處的腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行EDS能譜分析獲悉， 塊狀腐蝕產(chǎn)物主要含有O、Na、 P、Fe四種元素， 如圖5(a)、 圖5(b)與表2所示。根據(jù)質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì)算大致可知，這些腐蝕產(chǎn)物為NaFeO2、Fe2O3等腐蝕產(chǎn)物的混合物。對(duì)圖4(f)中的裂紋進(jìn)行微區(qū)成分分析， 結(jié)果如圖5(c)與表2所示， 可見裂紋主要也含有O、Na、S、 Fe四種元素，經(jīng)分子量換算關(guān)系推得其原子個(gè)數(shù)比也大致符合NaFe20S8O40， 即同樣為 Na3FeO3、Na2FeO2、FeSO4及鐵的氧化物等腐蝕產(chǎn)物的混合物。

表2 失效換熱管破口的能譜分析（%）

2 分析與討論

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，工藝水的pH值波動(dòng)劇烈。pH值太低呈酸性時(shí)，會(huì)導(dǎo)致設(shè)備的酸性腐蝕加速；但pH值太高，則會(huì)導(dǎo)致工藝水乳化或使鋼材形成過鈍化，導(dǎo)致設(shè)備腐蝕損壞，尤其在高溫條件下更是如此。由此可以推斷，造成這一現(xiàn)象的主要原因是由于設(shè)備運(yùn)行時(shí)加堿操作不當(dāng)引起的。

一般而言，碳鋼表面都會(huì)有層致密的Fe3O4氧化膜，起鈍化保護(hù)作用。但事實(shí)上管子外壁常常在制造、安裝和維修過程中引入機(jī)械缺陷如凹陷、劃痕等，管子表面Fe3O4鈍化膜遭到破壞，堿液在缺陷處發(fā)生富集濃縮，因而在高溫工況和應(yīng)力的共同作用下凹陷易發(fā)生局部堿脆，或稱應(yīng)力腐蝕開裂[3]。換熱器管子的材質(zhì)是10號(hào)碳鋼，殼程介質(zhì)為含有NaOH的堿性溶液，運(yùn)行溫度 170℃、壓力0.7MPa，這一“碳鋼—堿液—壓力”三者構(gòu)成的腐蝕環(huán)境為局部堿脆創(chuàng)造了良好條件[4]。

根據(jù)金相組織分析可知，換熱器管子具有含量較高的珠光體組織，這在一定程度上也為堿脆創(chuàng)造了條件。根據(jù)失效換熱管腐蝕破口與凹坑的宏微觀形貌觀察可知，腐蝕凹坑內(nèi)存在大量的局部腐蝕微孔，并且從微孔底部萌生出脆性裂紋。根據(jù)裂紋形貌判斷，部分具有沿晶開裂的特征且有明顯的主裂紋。同時(shí)，在腐蝕微孔內(nèi)還測(cè)得含有Na、O、Fe等元素，這與堿脆產(chǎn)物的成分相符。因此，所觀察到的腐蝕形態(tài)都證明了換熱器管束曾經(jīng)歷局部堿脆的腐蝕過程。

3 結(jié)論與建議

（1）NaOH堿液的加料方式不當(dāng)及其加料量過多，是導(dǎo)致管子表面發(fā)生局部堿脆、引發(fā)腐蝕穿孔的主要原因。

（2）失效管上有放射性條狀凹坑，這是安裝時(shí)引入的機(jī)械割傷或是在殼程內(nèi)有某種剛性異物對(duì)管壁產(chǎn)生的撞擊刮傷所形成的。

（3）為防止堿脆的發(fā)生，應(yīng)嚴(yán)格控制堿液比例和加料方式，確保pH值在合理的范圍之內(nèi)。

（4）更換管束時(shí)要確保管束質(zhì)量，嚴(yán)防管子被異物劃傷。檢修后必須把可能遺留在殼程內(nèi)的異物清理干凈。

[1]王松漢,何細(xì)藕.乙烯工藝與技術(shù) [M].北京：中國(guó)石化出版社，2000.

[2]GB 9948—2006.石油裂化用無縫鋼管 [S].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2006.

[3]何業(yè)東,齊慧濱.材料腐蝕與防護(hù)概論 [M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2005.

[4]陳合成.堿液腐蝕及防護(hù)技術(shù) [J].石油化工腐蝕與防護(hù),2004,21(1):20-24.

Failure Analysis for the Perforation of the Heat Exchange Tube in Ethylene Plant

Wang Shenghui Gu Fuming Yang Yuqing

TQ 051.5

2011-01-11）

*王勝輝，男，1982年11月生，碩士。上海市，200062。