急冷油稀釋蒸汽發(fā)生器換熱管服役狀態(tài)研究

陳志雄

(中國石化中科(廣東)煉化有限公司，廣東 湛江 524072)

0 引言

某裂解車間的急冷油稀釋蒸汽發(fā)生器發(fā)生泄漏。管程運行介質(zhì)為急冷油，其進(jìn)口溫度204℃，出口溫度177℃，入口壓力1.113MPa；殼程運行介質(zhì)為工藝水，其進(jìn)口溫度173℃，出口溫度160℃，入口壓力0.692MPa。稀釋蒸汽發(fā)生器換熱管的管內(nèi)走急冷油，管外走急冷水。兩種介質(zhì)所產(chǎn)生的熱交換作用一方面使急冷油冷卻，另一方面使急冷水被汽化產(chǎn)生稀釋蒸汽。急冷油稀釋蒸汽發(fā)生器的換熱管材質(zhì)為優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼CS。作為設(shè)備主要的部件，換熱管的服役狀態(tài)至關(guān)重要。

本文擬對取樣換熱管進(jìn)行材質(zhì)化學(xué)成分分析、顯微結(jié)構(gòu)和金相組織分析、顯微硬度測試，此外還進(jìn)行了泵軸的應(yīng)力計算、有限元分析，以及除焦水泵水介質(zhì)腐蝕性分析，從而力求準(zhǔn)確地評估換熱管服役狀態(tài)，為查找急冷油稀釋蒸汽發(fā)生器發(fā)生泄漏提供準(zhǔn)確信息，以確保設(shè)備的正常運行。

2 換熱管服役狀態(tài)的評估

主要通過以下分析、檢測內(nèi)容來評估換熱管的服役狀態(tài)[1-5]。

2.1 換熱管表面的宏觀和微觀分析

圖1 換熱管的內(nèi)、外表面宏觀形貌

2.1.1 換熱管表面的宏觀分析

圖1為送檢稀釋蒸汽發(fā)生器換熱管的內(nèi)、外表面宏觀形貌。可以看到，換熱管外表面的腐蝕比較嚴(yán)重，其表面覆蓋了一層龜裂狀的銹蝕層。換熱管外表面主要為蒸汽交界面。換熱管內(nèi)表面為通油面，其表面留存一些結(jié)垢物，主要是重急冷油焦化殘物。將垢物清除后，其表面比較光滑，除一些流體沖刷痕跡外，無明顯的大面積腐蝕。

鐵銹用砂紙擦拭換熱管外表面，發(fā)現(xiàn)銹蝕層較薄，銹蝕層下材質(zhì)金屬光澤好，表面比較均勻，雖然沒發(fā)現(xiàn)裂紋，但肉眼可見的凹坑布滿管子表面，如圖2所示。

圖2 除銹后換熱管的外壁形貌

2.1.2 換熱管表面的微觀分析

先用細(xì)砂紙對換熱管外表面進(jìn)行擦拭，再用除銹劑進(jìn)行除銹處理，最后用掃描電鏡觀察換熱管的表面微觀結(jié)構(gòu)。圖3的換熱管表面微觀結(jié)構(gòu)顯示其表面腐蝕形態(tài)具有典型的垢下腐蝕特征。其中(c)圖的腐蝕條紋與管子軸向、殼程流體運動方向一致，(d)圖主要為腐蝕物及未清理干凈的滲透劑等污物。

圖3 換熱管外表面的微觀結(jié)構(gòu)

2.2 試樣取樣點的選擇

對廠家送檢的5根換熱管進(jìn)行外觀分析，選擇6處如圖4所示的換熱管表面銹蝕較嚴(yán)重的區(qū)域，用線切割的方式截取試樣，用于化學(xué)成分、顯微結(jié)構(gòu)分析金相組織分析。

圖4 各試樣的電子顯微結(jié)構(gòu)

2.3 換熱管材質(zhì)的化學(xué)成分分析

主要采用Quanta-200環(huán)境掃描電鏡及其附屬設(shè)備Genesis的能譜、奧林巴斯(OLYMPUS)合金元素分析儀DPO-2000進(jìn)行聯(lián)合分析，力求準(zhǔn)確檢測換熱管的化學(xué)成分。表1為能譜分析結(jié)果。

表1 能譜化學(xué)成分分析結(jié)果(w%)

利用合金元素分析儀的檢測發(fā)現(xiàn)：除了少數(shù)點外，其他取樣點的主要合金元素都與10#鋼的基本匹配，為換熱管材質(zhì)常用材質(zhì)，并與項目委托單位提供的CS鋼一致。

上述檢測表明，換熱管檢測區(qū)域的主要元素含量在換熱器常用材料10#鋼的材質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)(GB 9948-2013《石油裂化用無縫鋼管》)。

2.4 換熱管材質(zhì)的顯微結(jié)構(gòu)分析

將試樣的表面進(jìn)行打磨拋光，用30%的硝酸水溶液腐蝕試樣，再用掃描電鏡對其進(jìn)行材質(zhì)顯微結(jié)構(gòu)分析。圖5為1#試樣至6#試樣的電子顯微結(jié)構(gòu)。由于用腐蝕劑對試樣進(jìn)行腐蝕，所以此時材質(zhì)的顯微結(jié)構(gòu)也稱為電子金相組織。

圖5 各試樣的電子顯微結(jié)構(gòu)(5000×)

由圖5可以看出，試樣的金相組織為鐵素體+珠光體，為典型的碳素鋼組織。圖中信息顯示分析區(qū)域材質(zhì)比較均勻，無明顯雜質(zhì)。圖(d)、(f)中的黑色部分為試樣磨制時產(chǎn)生的缺陷。。

2.5 換熱管材質(zhì)的金相組織分析

用數(shù)字光學(xué)顯微鏡進(jìn)行金相組織分析。

2.5.1 光學(xué)金相組織分析

圖6為各試樣的光學(xué)金相組織照片。

圖6 各試樣的光學(xué)金相組織(500×)

1#試樣至6#試樣的金相組織為鐵素體+珠光體，為典型的低碳素鋼組織。顯示試樣的組織比較均勻。

2.5.2 斷口能譜分析

圖7和圖8為3#試樣和5#試樣的掃描電鏡能譜分析。

圖7 3#試樣的微觀形貌及取樣點的能譜分析

圖8 5#試樣的微觀形貌及取樣點的能譜分析

能譜分析顯示：分析區(qū)域無明顯雜質(zhì)；化學(xué)成分比較單一，為碳素鋼的主要合金元素；圖7的分析取樣點為鐵素體，含碳量較低，而圖8的分析取樣點為珠光體，含碳量相對較高。

2.6 顯微硬度測試

將1#至6#試樣的取樣位置表面打磨平整，各取5個點進(jìn)行顯微硬度測試。測試條件：室溫，載荷為1kg，載荷保持時間為150秒。顯微硬度測試結(jié)果見表2。

表2 顯微硬度測試結(jié)果(HV)

由表2數(shù)據(jù)可知：換熱管的顯微硬度都在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)；換熱管的顯微硬度比較均勻，也說明其材質(zhì)比較均勻。

2.7 換熱管進(jìn)行滲透檢測

圖9 換熱管外表面的滲透檢測形貌

用肉眼觀察換熱管并未發(fā)現(xiàn)其表面有穿孔、裂紋等宏觀缺陷。為進(jìn)一步確認(rèn)換熱管是否發(fā)生穿透性失效，對換熱管內(nèi)、外表面進(jìn)行了處理：用砂紙磨掉換熱管外表面銹層，清除管子內(nèi)表面油圬，并用除銹劑擦試，然后對換熱管進(jìn)行滲透處理(PT)。圖9為換熱管外表面處理結(jié)果。

滲透檢測沒發(fā)現(xiàn)穿透性缺陷。為防止一次檢查出現(xiàn)遺漏，再將換熱管的表面清洗干凈，第二次做滲透檢測，但也未發(fā)現(xiàn)穿透性缺陷。

2.8 蒸汽凝液和垢物分析

2.8.1 蒸汽凝液分析

在稀釋蒸汽發(fā)生器入口處采樣蒸汽凝液進(jìn)行離子色譜分析和PH值分析。

(1)離子色譜分析

測試儀器為瑞士萬通離子色譜儀883。離子色譜分析結(jié)果如圖10所示。

圖10 蒸汽凝液的離子色譜分析

圖10的圖譜顯示：樣品EB-230A中含少量Cl-離子，約達(dá)5.78ppm；SO42-離子含量較高，約達(dá)47.126ppm。

(2)pH值分析

測試儀器為pH值分析使用pH計執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為GBT 5750.4-2006。pH測試值pH=5.2，采樣溶液呈弱酸性，具有一定腐蝕性。

2.8.2 垢物成分分析

取換熱管外表面的垢物進(jìn)行能譜分析(EDS)，結(jié)果如圖11所示：垢物主要為鐵的氧化物或氫氧化物，有機碳化物等物質(zhì)。

圖11 垢物的能譜分析

3 結(jié)論

(1)換熱管檢測區(qū)域的主要元素含量在換熱器常用管材10#鋼的鋼材標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)；換熱管的金相組織為鐵素體+珠光體，其材質(zhì)比較均勻，無明顯雜質(zhì)；換熱管的顯微硬度值平穩(wěn)，且在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。上述結(jié)果表明材質(zhì)質(zhì)量良好。

(2)換熱管內(nèi)表面除有一些沖刷痕外，無明顯腐蝕。換熱管外表面的腐蝕比較嚴(yán)重，其表面覆蓋了一層龜裂狀的銹蝕層，但換熱管外表面的銹蝕層厚度較小，減薄不嚴(yán)重。換熱管外表面沒發(fā)現(xiàn)裂紋。管子外表面布滿肉眼可見的腐蝕凹坑，掃描電鏡下可以清晰顯示腐蝕凹坑的微觀結(jié)構(gòu)。換熱管外表面具有明顯的垢下腐蝕特征。滲透檢測并未發(fā)現(xiàn)換熱管存在穿透性缺陷。

(3)送檢蒸汽凝液中含少量Cl-離子，而SO42-離子含量較高，溶液呈弱酸性，具有一定腐蝕性。換熱管外表面的垢物主要為鐵的氧化物或氫氧化物，有機碳化物等物質(zhì)。

(4)換熱管的材質(zhì)質(zhì)量良好，各項主要性能指標(biāo)在標(biāo)準(zhǔn)材質(zhì)范圍內(nèi)。所發(fā)生的腐蝕減薄失效主要是由于殼程中工藝水作用而引起的。未發(fā)現(xiàn)穿透性失效，換熱管仍在安全運行范圍，但要加強換熱管的運行狀態(tài)監(jiān)控，保證換熱器的安全運行。

4 換熱管減薄腐蝕機理分析

根據(jù)上述分析結(jié)果，換熱管外表面主要有以下幾種腐蝕失效形式：

(1)氫致電化學(xué)腐蝕

當(dāng)工藝水呈酸性時，可能造成氫腐蝕。系統(tǒng)中有機酸和H2CO3存在，電離釋放出的氫離子是一種強去極化劑，易在陰極奪取電子，促進(jìn)陽極反應(yīng)使鋼鐵發(fā)生腐蝕反應(yīng)。同時，氫離子是強氧化劑，極易奪取電子還原，促進(jìn)陽極鐵溶解導(dǎo)致腐蝕，這個電化學(xué)腐蝕過程的反應(yīng)式如下：

陽極：Fe→Fe2++2e

陰極：H2O+CO2→2H++CO32-

2H++2e→H2

陰極產(chǎn)物：Fe+H2CO3→FeCO3+H2

(2)溶解氧與鐵的電化學(xué)反應(yīng)腐蝕

由于急冷油稀釋蒸汽發(fā)生器工藝水的耗氧量較高，在電化學(xué)腐蝕過程中，管束外表面的碳鋼作為陽極發(fā)生氧化腐蝕，而水中的溶解氧在陰極發(fā)生還原反應(yīng)，其還原產(chǎn)物OH-，與陽極氧化產(chǎn)物Fe2+進(jìn)一步形成氫氧化物，在管子外表面形成垢層(鐵的氫氧化物)。

(3)氯腐蝕和硫化氫腐蝕

工藝水中含少量氯和硫。由于Cl-半徑小，穿透力極強，很容易穿透保護(hù)膜內(nèi)極小的孔隙，破壞局部鈍化膜，而進(jìn)人裂縫尖端生成鹽酸，產(chǎn)生自催化加速腐蝕過程，同時氯離子在尖端析出，滲入裂縫前緣，使金屬脆化。硫主要由于產(chǎn)生H2S而腐蝕。