換熱器管束短期失效分析及對(duì)策

陳繼程，韓 利，胡寶慶，孟嘉鈺

(1.遠(yuǎn)東頁(yè)巖煉化有限責(zé)任公司，遼寧 撫順 113001 2.遼寧石油化工大學(xué)，遼寧 撫順 113001)

引 言

換熱器是大型壓縮機(jī)機(jī)組中不可缺少的換熱裝置，它的高效運(yùn)行是壓縮機(jī)機(jī)組正常運(yùn)行的必要條件，也是壓縮器內(nèi)工藝氣體的溫度在安全范圍內(nèi)的保證。在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，換熱器的換熱效率和壽命與多種因素密切相關(guān)[1-2]。其中，換熱管內(nèi)外介質(zhì)的組成對(duì)換熱管束的腐蝕有顯著的影響。

某煉化公司一臺(tái)水煤氣壓縮機(jī)換熱器，管內(nèi)介質(zhì)為水煤氣，管外介質(zhì)為循環(huán)水。換熱器殼程溫度在30 ℃～120 ℃，管程工作溫度在20 ℃～40 ℃，工作壓力在0.2 MPa～1.2 MPa。該換熱器的換熱管管束在短期內(nèi)(< 6個(gè)月)便發(fā)生泄漏。導(dǎo)致泄漏的原因很多，本文從多方面分析泄漏的原因。在分析的基礎(chǔ)上，對(duì)介質(zhì)的組成、換熱管束的清洗以及后續(xù)的實(shí)時(shí)檢測(cè)提出相應(yīng)的措施，以保證換熱器工作效率及使用壽命。

1 工藝分析

該換熱器管束材料為20號(hào)鋼，管程與殼程內(nèi)介質(zhì)分別為水煤氣和循環(huán)水。管內(nèi)介質(zhì)組成及循環(huán)水指標(biāo)如表1和表2所示。

表1 水煤氣組成

表2 循環(huán)水指標(biāo)

2 泄漏原因分析

2.1 宏觀形貌

取泄漏管束中的一段進(jìn)行分析，如圖1所示。從圖1中可以看出，換熱管內(nèi)外部銹蝕嚴(yán)重，有泄漏孔出現(xiàn)。換熱管外部有黃色的銹跡，管內(nèi)部的顏色相對(duì)較深，黑色銹跡。此外，還有許多點(diǎn)蝕坑出現(xiàn)。將腐蝕層外側(cè)黃色銹跡除去后發(fā)現(xiàn)內(nèi)側(cè)呈黑色。說(shuō)明除了在換熱管外部有大量的氧化亞鐵存在外，其里層已經(jīng)被深度氧化成氧化鐵。

圖1 換熱管腐蝕形貌

2.2 腐蝕物成分分析

對(duì)換熱管腐蝕層成分進(jìn)行分析，具體數(shù)據(jù)如第155頁(yè)表3所示。從第155頁(yè)表4的20號(hào)鋼中元素的標(biāo)準(zhǔn)含量對(duì)比可以看出，腐蝕層中含有大量的O、Fe、C、Cl以及少量的Ca和Mg存在。這說(shuō)明腐蝕層具有大量的氧化鐵和氧化亞鐵存在。與圖1中所觀測(cè)的外觀形貌相對(duì)應(yīng)，即，氧化亞鐵呈現(xiàn)出黃褐色，氧化鐵則呈現(xiàn)出黑色。Si的含量符合20號(hào)鋼標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定；Ca離子以碳酸鈣和硅酸鈣的形式存在；Mg離子的存在加速管道的結(jié)垢；除此以外，大量Cl元素的存在加速了對(duì)20號(hào)鋼材電腐蝕。

表3 腐蝕層能譜分析結(jié)果

表4 20號(hào)鋼元素標(biāo)準(zhǔn)

2.3 金相分析

圖2所示為原管管壁和除銹后管壁的金相圖。從圖2a)中可以看出，20鋼管經(jīng)過(guò)冷拔后，基材呈帶狀，白色的為拉伸的鐵素體，拉伸方向沿管子縱向方向；黑色的為珠光體。對(duì)比圖2b)和圖2a)，除銹拋光后的金相組織沒(méi)有發(fā)生改變。由此可以判斷，該換熱管的基材符合標(biāo)準(zhǔn)，不是造成泄漏的原因。

圖2 新管金相圖(×100)與除銹后管金相圖

通過(guò)宏觀形貌、微觀形貌以及腐蝕層的化學(xué)元素分析可知，管束內(nèi)外表面均發(fā)生了腐蝕，且外表面的腐蝕厚度大于內(nèi)表面的腐蝕厚度，泄漏孔由外表面穿向內(nèi)表面。主要原因是循環(huán)水中存在較高的O含量，Cl、Ca和Mg離子的含量也超標(biāo)。而在實(shí)際生產(chǎn)中，該循環(huán)水處理為開(kāi)放式，水中含有大量的O2存在。換熱設(shè)備在高溫高壓下工作，由于換熱管與介質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)不一致，因此在換熱管附近的介質(zhì)形成溫度梯度，在溫度梯度的作用下，溶解的O2被源源不斷地帶入到管壁，與其接觸并作用，這是導(dǎo)致?lián)Q熱管束在短期內(nèi)就產(chǎn)生嚴(yán)重泄漏的主要原因。此外，循環(huán)水中無(wú)機(jī)鹽離子的存在，對(duì)換熱管起到腐蝕作用。

3 解決方案

由上述分析可知，循環(huán)水水質(zhì)是造成腐蝕的主要原因。腐蝕不僅降低換熱效率，而且大大縮短了換熱器使用壽命[3]。因此，從兩方面對(duì)換熱器進(jìn)行處理。首先給換熱器除銹，然后對(duì)循環(huán)水進(jìn)行處理。

1) 更換和清洗換熱管

首先對(duì)該換熱管束進(jìn)行整體排查，將泄漏的管進(jìn)行更換。然后對(duì)換熱器進(jìn)行整體化學(xué)清洗。在化學(xué)清洗前，根據(jù)腐蝕的情況確定清洗方案如下：酸洗除銹——預(yù)膜形成金屬保護(hù)膜。此外，對(duì)開(kāi)放式的水處理改用封閉式的處理方式。避免水處理中含氧量的增加。

2) 循環(huán)水處理

在給換熱器清洗和預(yù)膜后，還應(yīng)該對(duì)循環(huán)水進(jìn)行處理。為了節(jié)約水資源，根據(jù)循環(huán)水水質(zhì)，篩選出適用性強(qiáng)的高效緩蝕阻垢劑添加到其中。目前，水處理采用的有機(jī)阻垢劑有膦酸類(lèi)阻垢劑[4]、羧酸類(lèi)阻垢劑[5]、膦酸羧酸類(lèi)阻垢劑等。最常用的阻垢劑是按照一定配比的膦羧酸、聚羧酸和含磺酸鹽共聚物組成的復(fù)合緩蝕阻垢劑。這些有機(jī)酸對(duì)金屬表面形成的保護(hù)膜起到保護(hù)作用，同時(shí)對(duì)循環(huán)水中的碳酸鈣等均有良好的螯合分散和晶格畸變作用。

3) 循環(huán)水日常管理

循環(huán)水管理素有“三分藥劑，七分管理”之說(shuō)。在循環(huán)水正常運(yùn)行后，在升溫、蒸發(fā)和冷卻的過(guò)程中，水質(zhì)會(huì)發(fā)生變化。因此，日常運(yùn)行主要根據(jù)水質(zhì)變化情況進(jìn)行及時(shí)調(diào)整，每天定時(shí)分析和上報(bào)。

與此同時(shí)，還要對(duì)容器的腐蝕速度和結(jié)垢進(jìn)行測(cè)定。將一定規(guī)格的金屬掛片安裝在循環(huán)水出口管線上的引出管中，一個(gè)月后取出稱(chēng)重。根據(jù)掛片的失重情況，可判斷腐蝕速度。根據(jù)《工業(yè)循環(huán)水冷卻水處理設(shè)計(jì)規(guī)范》(GN50050-2007)規(guī)定，冷熱設(shè)備碳鋼管關(guān)閉的腐蝕速度<0.075 mm/a。采用監(jiān)測(cè)換熱器法，模擬換熱器的操作條件，用飽和蒸汽作介質(zhì)。運(yùn)行一個(gè)月后取下測(cè)算腐蝕率和黏附速率，污垢熱阻反映結(jié)構(gòu)情況。要求達(dá)到《工業(yè)循環(huán)水冷卻水處理設(shè)計(jì)規(guī)范》(GN50050-2007)規(guī)定：換熱設(shè)備水側(cè)管壁的年污垢熱阻<3.44×10-4m2·k/w；水面污垢沉積速率≤ 20 mg/cm2·月。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)上述分析可知，本文中換熱管材質(zhì)合格，造成換熱管束短時(shí)期失效的主要原因是循環(huán)水水質(zhì)的問(wèn)題。因此，針對(duì)該問(wèn)題提出了解決方案。首先對(duì)腐蝕嚴(yán)重的換熱管清洗。其次，對(duì)循環(huán)水水質(zhì)進(jìn)行阻垢緩蝕處理。在正常運(yùn)行后，分別對(duì)換熱管的腐蝕和循環(huán)水的水質(zhì)進(jìn)行監(jiān)控。保證換熱器在設(shè)計(jì)工況下進(jìn)行運(yùn)行的同時(shí)，定期進(jìn)行清洗以使換熱器達(dá)到高效換熱并延長(zhǎng)使用壽命。