酸性水汽提裝置冷凝器泄漏原因分析及對(duì)策

蔣 越

(中國(guó)石化上海石油化工股份有限公司煉油部，上海 200540)

酸性水汽提裝置是煉油工業(yè)中的配套裝置，用于處理各煉油加工裝置產(chǎn)生的酸性水，是非常重要的環(huán)保裝置。隨著國(guó)家、地方政府以及企業(yè)不斷提高環(huán)保排放要求，酸性水汽提裝置的重要性愈發(fā)突出。該裝置的腐蝕性介質(zhì)和腐蝕分布覆蓋全流程，各類設(shè)備受到不同程度的腐蝕[1]。此外，原油劣質(zhì)化給環(huán)保裝置帶來的壓力越來越大，酸性水汽提裝置腐蝕與防護(hù)的相關(guān)問題已越來越受到重視。

某煉油廠酸性水汽提裝置的三級(jí)冷凝冷卻器泄漏故障頻發(fā)，不僅導(dǎo)致設(shè)備失效，影響生產(chǎn)裝置安全穩(wěn)定運(yùn)行；同時(shí)，由于冷卻介質(zhì)為循環(huán)水，泄漏發(fā)生后受污染的循環(huán)水將腐蝕性介質(zhì)帶到循環(huán)水場(chǎng)，給其他用水設(shè)備造成循環(huán)水側(cè)腐蝕隱患。因此，為確保裝置正常生產(chǎn)，避免因三級(jí)冷凝冷卻器故障帶來的各種不利影響，找出其故障原因并采取相應(yīng)的對(duì)策措施顯得尤為重要。

1 裝置工藝概況

某煉油廠的酸性水汽提裝置生產(chǎn)能力為130 t/h，于2012年11月建成投產(chǎn)。裝置主要處理來自上游裝置的含硫氨酸性水，原料經(jīng)處理后，得到氨、硫化氫濃度很低的凈化水，同時(shí)獲得副產(chǎn)品——液氨和酸性氣。裝置采用單塔加壓側(cè)線抽出工藝，利用氨、硫化氫溶解度不同，塔底部分凈化水作為汽提蒸汽加熱升溫，使酸性水中的氨、硫化氫水解變?yōu)椤坝坞x態(tài)”分子形式，最后轉(zhuǎn)入氣相而脫除。塔頂打入部分冷進(jìn)料吸收酸性氣中的氨，在塔中部形成氨的富集區(qū)。汽提塔塔頂?shù)玫搅蚧瘹錇橹鞯乃嵝詺猓鳛榱蚧腔厥昭b置的原料；側(cè)線抽出富氨氣，經(jīng)進(jìn)一步冷凝、精制、壓縮后得到液氨；塔底得到凈化水進(jìn)行進(jìn)一步處理。

富氨氣經(jīng)側(cè)線抽出后，需要經(jīng)過三級(jí)分凝系統(tǒng)，具體流程如圖1所示。此次進(jìn)行故障原因分析的是三級(jí)冷凝冷卻器(以下簡(jiǎn)稱為冷凝器)。

圖1 側(cè)線三級(jí)分凝流程示意

2 設(shè)備運(yùn)行情況

2.1 設(shè)備基本概況

冷凝器為浮頭式換熱器，型號(hào)為BJS1000-2.5-3406/19-4I，設(shè)備具體參數(shù)見表1。殼程介質(zhì)為富氨氣，主要成分為氨氣、水、少量硫化氫及油等。在冷凝器中與循環(huán)水進(jìn)行熱交換降溫后，部分氣相介質(zhì)冷凝成液相，兩相流一起進(jìn)入分凝器進(jìn)行氣液分離。

表1 三級(jí)冷凝器基本參數(shù)

2.2 設(shè)備泄漏情況

冷凝器于2012年11月26日投用。在裝置第一周期運(yùn)行中，于2016年3月發(fā)生內(nèi)漏，檢修時(shí)經(jīng)試壓捉漏共堵管17根，泄漏管子中的14根均集中在管束從底部往上數(shù)的4排內(nèi)。在2016年8月裝置停車大修期間，冷凝器更換新管束，材質(zhì)由10#碳鋼升級(jí)為304L不銹鋼。

在2016年9月裝置開車后的第二周期運(yùn)行中，分別于2017年11月、2018年5月和7月發(fā)生3次內(nèi)漏。泄漏后的處理方法均為開蓋檢修，進(jìn)行試壓捉漏，對(duì)泄漏管子堵管，三次各堵管1根。具體部位如圖2所示，圖中從左到右給堵管管子編號(hào)為1#、2#、3#。1#為2018年5月泄漏堵管，2#為2017年11月泄漏堵管，3#為2018年7月泄漏堵管。可以看出，3次發(fā)生泄漏的管子在垂直方向上位于相近的位置。

圖2 運(yùn)行第二周期內(nèi)3次泄漏部位

2018年7月，在三級(jí)冷凝冷卻器檢修過程中對(duì)其進(jìn)行外觀檢查，管束的管板及管口部位表面狀況良好，未見明顯腐蝕，同時(shí)，對(duì)管板進(jìn)行了滲透檢測(cè)，未發(fā)現(xiàn)缺陷。

3 冷凝器泄漏原因分析

3.1 腐蝕因素分析

冷凝器殼程進(jìn)料為溫度90 ℃左右的富氨氣，出料為40 ℃左右的富氨氣和冷凝液，富氨氣中氣相氨質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到70%以上。在有氨和硫化氫共存的體系中，氣相中硫化氫質(zhì)量分?jǐn)?shù)很低，液相中較大的氨/硫化氫分子比會(huì)促進(jìn)氨和硫化氫的反應(yīng)，生成腐蝕酸性水汽提裝置的硫氫化銨(NH4HS)。NH4HS水溶液的濃度和流速影響腐蝕速率，流速增大不僅會(huì)增大腐蝕速率，還會(huì)發(fā)生銨鹽的沖刷腐蝕[2]。在溫度低于120 ℃時(shí)，硫氫化銨會(huì)析出結(jié)晶，流速較低的部位容易結(jié)垢導(dǎo)致設(shè)備堵塞，還會(huì)造成垢下腐蝕。

實(shí)際生產(chǎn)中，進(jìn)裝置原料水中氨及硫化氫的含量受上游裝置所煉油品及運(yùn)行情況的影響而變化。如果原料水中氨的濃度變化幅度較大，需要不斷地進(jìn)行工藝調(diào)整，如控制汽提蒸汽流量及溫度等，使側(cè)線抽出的位置處于氨富集區(qū)。當(dāng)側(cè)線抽出比過大時(shí)，會(huì)造成側(cè)線抽出的富氨氣中攜帶較多硫化氫，易形成NH4HS。根據(jù)裝置的采樣分析結(jié)果統(tǒng)計(jì)，側(cè)線氣中硫化氫體積分?jǐn)?shù)平均值為3%，最大值達(dá)到10%，這對(duì)碳鋼材質(zhì)來說有較高的腐蝕風(fēng)險(xiǎn)。

2016年停車大修期間，裝置進(jìn)行了腐蝕調(diào)查[3]，發(fā)現(xiàn)側(cè)線富氨氣系統(tǒng)的腐蝕情況較為嚴(yán)重。為減緩腐蝕速率，同時(shí)考慮到冷凝器碳鋼管束3年左右的使用壽命，將冷凝器管束材質(zhì)升級(jí)為304L不銹鋼。

3.2 管束泄漏失效分析

實(shí)際應(yīng)用中，第二周期材質(zhì)304L管束使用壽命僅為2年。為了查明管束泄漏原因，對(duì)管束的泄漏部位取樣并進(jìn)行了失效分析?？紤]到管束的修復(fù)利用，未采用破壞性的手段拆除，分別對(duì)1#和2#管抽管取樣。1#管抽出后發(fā)現(xiàn)兩處斷裂部位，分別位于靠近右側(cè)管板第1塊折流板處以及右側(cè)管板連接處；2#管抽出后發(fā)現(xiàn)4處斷裂部位，分別位于靠近左側(cè)管板第1塊、第2塊折流板處，靠近右側(cè)管板第1塊折流板處以及右側(cè)管板連接處。

從圖3斷裂部位的宏觀形貌來看，斷裂處形成明顯的減薄區(qū)域，與相近處正常管壁間存在明顯界限。同時(shí)，減薄區(qū)域有一圈圈的摩擦擠壓痕跡。

圖3 2#管左側(cè)第2塊折流板處斷裂部位

3.2.1 化學(xué)成分分析

首先，為確認(rèn)實(shí)際所用材料與304L的一致性，對(duì)管材化學(xué)成分進(jìn)行了分析，結(jié)果如表2所示。分析結(jié)果表明，取樣的1#管與2#管材料成分與304L不一致，而與316L相一致。后對(duì)該管束外圍一圈管子及管板進(jìn)行光譜檢測(cè)，結(jié)果均顯示與304L成分相同。

表2 取樣管材的化學(xué)成分

由于未對(duì)管束拆解，未能檢測(cè)所有內(nèi)部換熱管材質(zhì)。正好斷裂取樣的1#、2#管兩根與原設(shè)計(jì)材質(zhì)不一致，分析可能是由于制造廠家在生產(chǎn)過程中換熱管混合放置未確認(rèn)材質(zhì)所導(dǎo)致。

3.2.2 金相組織分析

為了觀察管材金相組織有無異常，對(duì)2#管左側(cè)第1塊折流板處的斷口區(qū)域、減薄區(qū)、減薄與未減薄交界區(qū)、減薄區(qū)均進(jìn)行了金相組織檢查及分析。

金相檢查結(jié)果顯示，各檢查區(qū)域的管材金相組織為奧氏體+孿晶，組織均正常。管子內(nèi)壁無明顯腐蝕現(xiàn)象，管子整個(gè)減薄區(qū)域外壁都可以看到明顯的摩擦擠壓痕跡，如圖4所示。非減薄區(qū)域的外壁則看不到這些擠壓痕跡，而且整個(gè)減薄區(qū)域未見腐蝕產(chǎn)生的腐蝕坑，說明腐蝕不是造成管子斷裂部位表面局部減薄的主要原因。

圖4 減薄區(qū)外壁圖 200×

3.2.3 微觀形貌分析

對(duì)2#管左側(cè)第1塊折流板處斷裂部位的斷口進(jìn)行了微觀形貌分析(見圖5)。經(jīng)觀察微觀形貌顯示，斷口是從外壁向內(nèi)壁發(fā)生開裂并最終斷裂的，在內(nèi)壁處存在最終撕裂時(shí)留下了剪切層形貌，并且內(nèi)壁及外壁附近斷口均可以觀察到韌窩和大量擠壓碰撞留下的摩擦痕跡。

圖5 內(nèi)壁剪切層處形貌

3.2.4 能譜分析

對(duì)斷口內(nèi)壁和外壁區(qū)域表面產(chǎn)物分別進(jìn)行了能譜分析，結(jié)果顯示，內(nèi)外壁表面各元素含量并無較大差別。主要元素為鐵、鉻、鎳，還含有少量的氮、硫，氮、硫的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別約為3%，1.3%，其中能產(chǎn)生腐蝕的有害元素即硫和氮。能譜分析結(jié)果顯示，換熱管腐蝕較輕微，說明奧氏體不銹鋼在此種工藝條件下有著較好的抗蝕性。

3.2.5 管束泄漏原因分析

綜合前面所采取的一系列分析方法的結(jié)果，本次發(fā)生斷裂失效的換熱管其斷裂部位全部在如下兩個(gè)部位：(1)靠近管板(接近進(jìn)出口)管束穿過折流板的管孔處；(2)管束與兩端管板的連接處。宏觀檢查和金相組織檢查均發(fā)現(xiàn)斷裂部位存在嚴(yán)重的外表面局部減薄，減薄區(qū)域外壁存在明顯摩擦擠壓痕跡，而且斷口微觀形貌中可以看到整個(gè)斷口上都是摩擦擠壓的碰撞痕跡，說明該斷裂部位的局部減薄主要是由于換熱管振動(dòng)與折流板摩擦擠壓所致。

4 引起管束振動(dòng)原因討論

從此次失效的部位及斷口形貌分析，屬于換熱器振動(dòng)中的擋板損傷破壞形式[4]。由于折流板管孔與換熱管外徑存在徑向間隙，管子的橫向振動(dòng)會(huì)引起管外壁與折流板的孔內(nèi)壁間產(chǎn)生反復(fù)摩擦。

一般來說，換熱器在運(yùn)行過程中或多或少都會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)。輕微的振動(dòng)不會(huì)損壞換熱器，還有助于強(qiáng)化傳熱、防止結(jié)垢[5]，但是應(yīng)該避免振動(dòng)過大而造成換熱器故障失效的情況。換熱器管束振動(dòng)的機(jī)理主要有漩渦脫落、紊流抖振、流體彈性不穩(wěn)定性、聲共振這4種。

管束振動(dòng)來源主要是換熱器殼程流體的流動(dòng)。殼程中的流體流路十分復(fù)雜，有橫向流、軸向流等多種流路，且殼程進(jìn)出口還存在一定的滯留區(qū)。如果殼程流體橫流速度超過臨界流速，管子振幅將增大，相鄰換熱管相互碰撞，即為流體彈性不穩(wěn)定性，嚴(yán)重時(shí)將導(dǎo)致?lián)Q熱管斷裂。

除了受流體流動(dòng)的影響外，如果換熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不當(dāng)，也易引發(fā)管束振動(dòng)。三級(jí)冷凝冷卻器殼程進(jìn)料從殼體上部?jī)蓚?cè)入口進(jìn)入殼體內(nèi)，管束上部在殼程進(jìn)口處安裝有防沖擋板。由于防沖擋板的作用改變了流向，使殼體進(jìn)口管束周圍成為高速流區(qū)，較易引起附近管子的振動(dòng)。有對(duì)比分析認(rèn)為，在換熱器增加防沖板后流體橫流速度增加，比無防沖板時(shí)更容易誘發(fā)漩渦脫落及流體彈性不穩(wěn)定激振[6]。

該換熱器最靠近兩端管板的折流板為環(huán)形折流板，中間由等間距布置的多個(gè)單弓形折流板支撐，兩端折流板與管板之間的跨距與中間跨距不同。管子是換熱器中撓性最大的部件，管束的折流板間距過大，易引起流體誘發(fā)振動(dòng)。同時(shí)，折流板管孔內(nèi)徑與換熱管外徑的間隙過大，也會(huì)加強(qiáng)折流板與換熱管的摩擦。經(jīng)測(cè)量管束結(jié)構(gòu)尺寸，折流板管孔直徑為20.2～21.0 mm，明顯大于GB/T 151—2014《熱交換器》中對(duì)I級(jí)管束折流板管孔直徑所推薦的換熱管外徑19 mm+0.7 mm的要求[7]。

5 結(jié)論

綜上所述，經(jīng)過對(duì)三級(jí)冷凝冷卻器泄漏失效的原因分析，可以采取相應(yīng)的預(yù)防及改進(jìn)措施。

(1)預(yù)防工藝介質(zhì)腐蝕，普通碳鋼的抗腐蝕性較弱，進(jìn)行設(shè)備材質(zhì)升級(jí)是較好的手段。300系列奧氏體不銹鋼在該條件下有較好的耐蝕性。

(2)嚴(yán)格工藝操作，確保設(shè)備運(yùn)行平穩(wěn)，且運(yùn)行條件需在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，避免超負(fù)荷運(yùn)行或頻繁調(diào)整操作。

(3)改進(jìn)換熱器管束結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：①對(duì)于殼程入口防沖結(jié)構(gòu)，可使用帶孔的防沖擋板、防沖桿等，減少對(duì)流體橫流速度的影響。②優(yōu)化折流板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，適當(dāng)減少折流板間距，可以提高管束剛度，增加其固有頻率。同時(shí)，縮小折流板管孔與換熱管之間的間隙，增大折流板厚度，均能減弱管束振動(dòng)帶來的“鋸割”效應(yīng)。也可以變更折流板形式，比如用桿式折流圈代替折流板，即可支撐管束，對(duì)流體起到擾流作用，同時(shí)使殼程流體縱向沖刷管束，避免因折流板導(dǎo)致的流體誘發(fā)振動(dòng)[8]。

(4)嚴(yán)格把關(guān)設(shè)備制造質(zhì)量，不因材質(zhì)錯(cuò)誤、材料性能不符合要求或未按圖施工等造成不必要的損失。