氫氣壓縮機(jī)水冷器管束泄漏原因分析及處理方案

關(guān)鍵詞：水冷器管束? 泄漏原因? 分析及處理

一、問題情況：

某公司氫氣壓縮機(jī)的一、二級水冷器首次使用五年后，兩臺壓縮機(jī)的一、二級水冷器先后分別出現(xiàn)管束泄漏情況，進(jìn)行了盲堵應(yīng)急處理后，同年對水冷器管束均進(jìn)行了換新（管束材質(zhì)也由10#鋼更換為20#鋼），再次運(yùn)行五年后，均又先后出現(xiàn)管束泄漏情況，進(jìn)行了盲堵或換新。

二、管束腐蝕泄漏的原因分析：

1、縫隙腐蝕：

指金屬與金屬或與非金屬之間，由于存在縫隙，在腐蝕介質(zhì)的作用下發(fā)生的縫隙腐蝕，在管殼式換熱器中，如換熱管與管板或換熱管與折流板連接的縫隙處發(fā)生的腐蝕，“縫隙腐蝕”和“垢下腐蝕”的腐蝕機(jī)理相同均為電化學(xué)腐蝕。

2、應(yīng)力腐蝕：

應(yīng)力腐蝕是材料在外加或殘余應(yīng)力和腐蝕介質(zhì)的共同作用下發(fā)生的一種腐蝕形態(tài)，應(yīng)力腐蝕是腐蝕形態(tài)中破壞性最強(qiáng)的腐蝕，通常在無察覺的情況下就發(fā)生了脆性斷裂。應(yīng)力腐蝕通常發(fā)生在材料相對應(yīng)的特殊介質(zhì)中：如Cl-離子與奧氏體不銹鋼、銅與氨及鋁與高溫蒸汽等環(huán)境中。在管殼式換熱器中，最常發(fā)生應(yīng)力腐蝕有Cl-離子與奧氏體材料腐蝕、硫化物應(yīng)力腐蝕以及高溫高壓條件下的氫腐蝕等。

由于該一、二級水冷器殼程冷卻介質(zhì)均為循環(huán)水，換熱管材料為20#碳素鋼，且該冷卻循環(huán)水中Cl-離子濃度較低，所以發(fā)生Cl-離子應(yīng)力腐蝕的可能性小。

3、氫腐蝕：

氫腐蝕是指鋼在高溫、高壓的氫氣環(huán)境中，氫原子在設(shè)備表面或滲入鋼內(nèi)部與不穩(wěn)定的碳化物發(fā)生反應(yīng)生成甲烷，使鋼脫碳，機(jī)械強(qiáng)度受到永久性的破壞。在鋼內(nèi)部生成的甲烷氣無法外溢而集聚在鋼內(nèi)部形成局部壓力，從而發(fā)展為鼓包開裂而導(dǎo)致腐蝕泄漏發(fā)生。

碳鋼的抗氫腐蝕性能隨碳鋼中碳含量升高而降低，選用合金鋼材料因含有鉻、鈦、鈮、釩、鉬等元素能與碳結(jié)合有效防止氫腐蝕的發(fā)生。

一般溫度為200℃、氫分壓為80MPa時(shí)為氫腐蝕的臨界發(fā)生值：溫度在200℃以上，氫分壓在80MPa以上時(shí)，氫腐蝕相對嚴(yán)重，反則氫腐蝕相對輕微或難以發(fā)生。

該一、二級水冷器管程介質(zhì)為純氫氣，水冷器多次檢修也未發(fā)現(xiàn)16Mn管板與管束的連接焊縫有腐蝕泄漏情況發(fā)生，且管板外表面光滑完好，初步分析氫腐蝕的影響較小。但從水冷器實(shí)際運(yùn)行記錄看出： 2014年之前水冷器10#鋼材質(zhì)（碳含量：0.10%）的管束使用情況良好，但2014年因4臺水冷器管束均泄漏嚴(yán)重，全部將管束材質(zhì)更換為20#鋼（碳含量：0.20%）后，進(jìn)行了全部換新，反而在后期使用中管束泄漏尤為加重，初步分析在該介質(zhì)環(huán)境中應(yīng)選超低碳金屬管束，防止氫等腐蝕的發(fā)生。

4、垢下腐蝕：

垢下腐蝕是一種局部腐蝕形態(tài)，腐蝕機(jī)理由于設(shè)備的幾何形狀特征，當(dāng)循環(huán)冷卻水中存在SO4-、SiO4-、 CO3-等離子時(shí)，會與Ca2+、Mg2+等離子發(fā)生反應(yīng)生成難溶解的硫酸鹽、硅酸鹽、碳酸鹽，及其水中的雜物及泥沙等在換熱管表面因流速減慢沉積結(jié)垢。由于水垢的存在使介質(zhì)在管束表面的流動和電介質(zhì)擴(kuò)散受到限制，造成垢下空腔內(nèi)介質(zhì)的化學(xué)成分與整體介質(zhì)有較大差別，空腔內(nèi)介質(zhì)PH值也發(fā)生較大變化，形成電化學(xué)腐蝕的條件，按腐蝕形態(tài)可分為酸性腐蝕和堿性腐蝕，通常循環(huán)冷卻水系統(tǒng)產(chǎn)生的垢下變?yōu)樗嵝裕赶掳l(fā)生了酸性腐蝕。

如20#等碳素鋼的垢下腐蝕是由于本身的電化學(xué)腐蝕存在的作用，垢下金屬為陽極失去電子發(fā)生了腐蝕溶解，而陰級則發(fā)生了電子的傳遞和結(jié)合作用。具體反應(yīng)如下：

陽極反應(yīng)：Fe - 2e? Fe2+

陰極反應(yīng)：2H+ + 2 e H2

腐蝕產(chǎn)物可溶性鹽如FeCO3 水解使酸性近一步加強(qiáng)如：

FeCO3 +2H2O=Fe（OH）2 + H 2CO3

由于這4臺水冷器的管程介質(zhì)為純氫氣，殼程為循環(huán)水，每次拆卸檢查水冷器管束均發(fā)現(xiàn)換熱管外表面積垢嚴(yán)重，清凈積垢后，垢層下的管束表面腐蝕更為嚴(yán)重，產(chǎn)生了密布的脫皮、坑蝕、犁溝等情況，初步分析該冷卻器管束循環(huán)水冷卻的外表側(cè)主要發(fā)生了“垢下腐蝕”。

三、管束選材性能的比較：

1、10#和20#鋼：

10#、20#優(yōu)質(zhì)碳素鋼管材是管殼式換熱器碳鋼管材的首選，含碳量不同則導(dǎo)致?lián)Q熱管的機(jī)械性能不同，耐氫腐蝕性能不同，隨著含碳量的增加，金屬換熱管的強(qiáng)度、硬度都相應(yīng)提高，但塑性及韌性略有下降，耐氫腐蝕性能下降（壓力容器用鋼的含碳量一般不超過0.25%），10#管比20#管容易脹焊接，但20#管比10#管材料的許用應(yīng)力大，強(qiáng)度高，耐壓能力強(qiáng)。10#管和20#鋼管均是普通碳鋼管，抗化學(xué)腐蝕、循環(huán)水垢下電化學(xué)腐蝕的性能均差。

2、304不銹鋼：

因304不銹鋼抗氯離子腐蝕和晶間腐蝕性能差，不宜用于循環(huán)水介質(zhì)的換熱器中，該水冷器的管程為氫氣，殼程為循環(huán)水，所以管材不宜選用304材質(zhì)

3、321不銹鋼：

321不銹鋼是Cr-Ni-Ti型奧氏體不銹鋼（0Cr18Ni10Ti），成分與304（0Cr18Ni9）接近，但由于成分中添加有Ti穩(wěn)定性能的元素，具有耐化學(xué)腐蝕、耐高溫、抗蠕變、耐磨損等性能，耐高溫性能比316好，在高溫時(shí)強(qiáng)度也高，它是熱強(qiáng)度鋼種，同時(shí)耐晶界腐蝕、抗硫化物腐蝕的性能好。

它主要用于加氫反應(yīng)器內(nèi)件、分餾塔等內(nèi)件，以及高溫高壓法蘭的金屬八角密封墊及壓力容器零部件等，該水冷器介質(zhì)為非高溫和腐蝕性弱的介質(zhì)，殼程循環(huán)水中的Cl-離子濃度較低，按理該水冷器管束也可選用該材質(zhì)。

4、316L不銹鋼：

316L不銹鋼是Cr-Ni-Mo型奧氏體不銹鋼（00Cr17Ni14Mo2）， 由于奧氏體成分中添加有Mo元素，具有耐化學(xué)腐蝕、耐高溫、耐氯離子腐蝕的性能，焊接加工性能優(yōu)于304不銹鋼，316L不銹鋼在高、低溫下具有良好的耐氧化性能，在腐蝕性苛刻的造紙工業(yè)及氯離子腐蝕性強(qiáng)的海洋環(huán)境中也可使用。

由于316L不銹鋼的具有良好的耐化學(xué)腐蝕和抗氧化性，耐氯離子腐蝕的性能強(qiáng)，且316L相比同材質(zhì)的316為超低碳不銹鋼（316L的碳含量為0.03%、 316的碳含量為0.08%），抗氫腐蝕的性能強(qiáng)， 316L不銹鋼機(jī)械加工性能較好，在特殊化工設(shè)備中得到廣泛應(yīng)用，綜合以上分析316L管材能滿足該水冷器的使用條件要求。

四、處理方案：

由于新氫壓縮機(jī)在公司工藝生產(chǎn)運(yùn)行中為A類重要設(shè)備，附屬設(shè)備水冷器的易燃易爆介質(zhì)氫氣若向循環(huán)水介質(zhì)側(cè)發(fā)生泄漏，不僅影響主機(jī)運(yùn)行，也直接威脅循環(huán)水及相關(guān)生產(chǎn)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。且目前全國各地化工企業(yè)生產(chǎn)安全事故頻發(fā)，各級政府對化工企業(yè)的安全管理和隱患檢查力度近一步加強(qiáng)，為確保壓縮機(jī)能安全穩(wěn)定運(yùn)行，同時(shí)防止水冷器管束氫氣泄漏對循環(huán)水及相關(guān)生產(chǎn)系統(tǒng)造成安全威脅，現(xiàn)主要采取下列方案：

對水冷器管束周期性（如每半年或一年，特別是利用大修期間）拆卸抽出進(jìn)行高壓水清理，防止垢下等腐蝕的發(fā)生;

從理論分析321、316L不銹鋼管材均能適合水冷器使用性能的要求。性能對比： 316L抗氯化物的性能好，321抗硫化物的性能好。

所以水冷器管束從價(jià)格經(jīng)濟(jì)安全使用綜合考慮應(yīng)選用316L管材;從壓縮機(jī)安全穩(wěn)定長周期運(yùn)行考慮;與管束相固定連接的管板的選用：由于該水冷器管板用材量少費(fèi)用較低，使用與管束同材質(zhì)的管板焊接連接，不易產(chǎn)生焊接缺陷及縫隙腐蝕等，所以管板與管束應(yīng)選用同材質(zhì)。

作者簡介：姓名：黑彥軍? 出生日期：1986.06.03? 性別：男? 籍貫：陜西橫山? 民族：漢? ? ? 最高學(xué)歷：大專? 現(xiàn)有職稱：助理工程師? 研究方向：機(jī)械