列管式換熱器管束脹口泄漏分析

龔恒強(qiáng)，王新花

（中國石油蘭州石化公司動力廠， 甘肅 蘭州 730060）

列管式換熱器是常見的工藝設(shè)備，通常是作為空壓機(jī)中間冷卻器使用，對壓縮機(jī)長周期安全運行起著關(guān)鍵作用。蘭州石化公司8000Nm3/h制氮裝置2號空壓機(jī)自2012年9月投產(chǎn)，至2019年7月已運行7年，空壓機(jī)中冷器出現(xiàn)兩次管束脹口泄漏故障，對長周期運行造成影響。通過分析影響中冷器運行的主要因素，明確換熱器脹口泄漏原因，并提出預(yù)防措施，為消除此類故障提供了參考。

1 設(shè)備概況

蘭州石化公司8000Nm3/h制氮裝置2號空壓機(jī)是美國英格索蘭公司生產(chǎn)的5CⅡ225MX3型離心式壓縮機(jī)，中冷器采用列管式換熱器，水走殼程，氣走管程，管內(nèi)有翅片。換熱器管板是304不銹鋼，管束為海軍銅，換熱管束與管板連接形式為脹接。

2 換熱器故障概況

（1）2019年7月29日至7月31日，對2號機(jī)二級中冷器進(jìn)行漏點消缺，2號機(jī)二級中冷器水壓試驗，發(fā)現(xiàn)中冷器管束泄漏95根，總管束共693根，泄漏率為13.7%。

（2）現(xiàn)場檢查中冷器水壓試驗情況，出現(xiàn)滲漏的位置為脹口與管板連接的環(huán)形面；同時觀測管束無點蝕、坑蝕等情況；未出現(xiàn)從管束風(fēng)道向外滲漏循環(huán)水的情況。

（3）2號壓縮機(jī)二級中冷器管束脹口泄漏全部在換熱器壓縮風(fēng)入口（熱端），脹口有紅色水漬，為空氣冷凝水析出后附著于中冷器管板表面；脹口表面整體清潔，無腐蝕產(chǎn)物。

（4）拆卸二級中冷器后，管束表面有微量黏泥；循環(huán)水進(jìn)出口管束呈現(xiàn)出銅材質(zhì)本體顏色；換熱器在放置7h后，管束部分表面有碳酸鈣沉積，并干燥開裂，屬于軟垢。

3 換熱器腐蝕原因分析

3.1 循環(huán)水質(zhì)管控分析

根據(jù)換熱器現(xiàn)場檢查情況，換熱器管束表面有微量黏泥，且換熱器泄漏原因之一是循環(huán)水質(zhì)管控不合格，腐蝕造成泄漏。因此要首先對循環(huán)水質(zhì)管控進(jìn)行分析，排查泄漏原因。

3.1.1 循環(huán)水質(zhì)合格率分析

通過對2016年5月至2019年6月，制氮裝置循環(huán)水水質(zhì)化驗分析結(jié)果統(tǒng)計，循環(huán)水六項指標(biāo)合格率均達(dá)到95%以上，達(dá)到水質(zhì)管理規(guī)定指標(biāo)。對2017年10月至2019年6月制氮裝置循環(huán)水超標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，結(jié)果如下。

（1）正磷分析總數(shù)1843次，超標(biāo)34次，占比1.84%，主要原因是緩蝕阻垢劑投加數(shù)量不準(zhǔn)確，影響了藥劑濃度。其中超指標(biāo)下限8次，超指標(biāo)上限26次，正磷控制指標(biāo)范圍為3.0～7.0mg/L，累計運行平均值為5.39mg/L，在指標(biāo)范圍內(nèi)。

（2）鈣硬分析總數(shù)304次，超標(biāo)4次，占比1.03%，超標(biāo)數(shù)據(jù)均為超控制指標(biāo)上限。鈣硬超標(biāo)主要原因為裝置提高濃縮倍數(shù)及減少補(bǔ)水量，對排水進(jìn)行了控制，導(dǎo)致鈣硬超指標(biāo)上限。鈣硬控制指標(biāo)范圍為≤1100mg/L，運行平均值為815mg/L。

（3）總鐵分析總數(shù)88次，超標(biāo)1次，占比1.14%。結(jié)合碳鋼掛片腐蝕測試結(jié)果，1次總鐵超標(biāo)不會對換熱器碳鋼材質(zhì)產(chǎn)生腐蝕影響?？傝F控制指標(biāo)范圍為≤1.0mg/L，運行平均值為0.2908mg/L。

（4）循環(huán)水濁度分析總數(shù)1843次，超標(biāo)5次，占比0.27%。從2號機(jī)換熱器拆檢情況查看，換熱管束表面有少量碳酸鈣沉積，經(jīng)水沖洗后可脫落（軟垢）；軟垢脫落后換熱器管束和管板表面光滑，無點蝕等垢下腐蝕情況。

（5）循環(huán)pH值分析總數(shù)1843次，超標(biāo)4次，占比0.22%。由數(shù)據(jù)統(tǒng)計看，最后一次超標(biāo)情況發(fā)生在2019年2月，且為超指標(biāo)上限。由于pH值超標(biāo)不是連續(xù)發(fā)生，且與換熱器泄漏時間間隔5個月，因此不會直接造成換熱器腐蝕泄漏。

3.1.2 氯離子含量分析

由于氯離子對不銹鋼及銅產(chǎn)生腐蝕，對2017年10月至2019年6月循環(huán)水中氯離子分析數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計。GB/T 50050-2017《工業(yè)循環(huán)冷卻水處理設(shè)計規(guī)范》中對循環(huán)水走殼程的換熱器，規(guī)定水中氯離子控制指標(biāo)范圍為≤700mg/L，制氮裝置循環(huán)水單元運行氯離子平均值為228mg/L，最大值361mg/L，最小值68.73mg/L，該數(shù)據(jù)在指標(biāo)范圍內(nèi)。

3.1.3 循環(huán)水腐蝕監(jiān)測掛片分析

制氮裝置循環(huán)水單元內(nèi)懸掛碳鋼、黃銅、紫銅、不銹鋼試片，每月機(jī)動處水質(zhì)中心進(jìn)行分析，腐蝕速率達(dá)標(biāo)。

中冷器管束脹口泄漏全部在換熱器壓縮風(fēng)入口（熱端），壓縮風(fēng)出口（冷端）未出現(xiàn)泄漏。換熱器逆流換熱，熱端是循環(huán)水出口，水溫在34-36℃之間；冷端是循環(huán)水入口，水溫在26-28℃之間，循環(huán)水溫差在8℃以內(nèi)。在同一種水質(zhì)工作條件下，兩面管板脹口泄漏情況完全不同，因此循環(huán)水質(zhì)不是造成脹口泄漏的直接原因。

3.2 換熱器縫隙腐蝕分析

通過2號機(jī)中冷器現(xiàn)場檢查情況分析，并查閱換熱器制造標(biāo)準(zhǔn)和換熱器腐蝕專業(yè)文獻(xiàn)，判斷管板材質(zhì)和脹接工藝是造成2號機(jī)中冷器縫隙腐蝕泄漏的主要原因?？p隙腐蝕是兩個連接物之間的縫隙處發(fā)生的腐蝕，縫隙內(nèi)外的金屬表面都發(fā)生以氧還原作為陰極反應(yīng)的腐蝕過程，縫隙外大面積進(jìn)行的氧還原陰極反應(yīng)，則促進(jìn)縫隙內(nèi)金屬陽極溶解?？p隙內(nèi)金屬溶解產(chǎn)生過剩的金屬陽離子，又使縫隙外的氯離子遷入縫隙內(nèi)以保持電平衡，隨之而發(fā)生的金屬離子水解，使縫隙內(nèi)酸度增高，又加速了金屬的陽極溶解。

（1）2號機(jī)換熱器芯脹口泄漏集中在壓縮空氣進(jìn)氣側(cè)（熱端），熱端管束要承受0.35MPa的壓力，會對管束脹接部位產(chǎn)生推力；熱端空氣溫度在100℃左右，在高溫和壓力條件下，脹口縫隙會產(chǎn)生變化。在同一個換熱器空氣出口側(cè)（冷端），由于工作溫度在30-40℃，且脹接面不承受壓力，因此未發(fā)生泄漏。

（2）據(jù)《中國腐蝕與防護(hù)學(xué)報》刊載的相關(guān)論文，提出縫隙腐蝕影響條件包括縫隙的幾何尺寸，縫隙在0.1-0.15mm時，縫隙腐蝕敏感程度最高，腐蝕程度最嚴(yán)重。從換熱器現(xiàn)場查看，換熱器管束和管板脹口縫隙尺寸較小，會產(chǎn)生縫隙腐蝕。同時，在GB/T 151-2014《熱交換器》標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定，對管徑大于16mm的換熱管應(yīng)開槽，開槽深度0.5mm。目前2號機(jī)使用的換熱器芯換熱管直徑20mm，大于國標(biāo)要求的16mm，但未發(fā)現(xiàn)管板脹口開槽。開槽后的脹口能有效提高管束抗拖拉強(qiáng)度，而且提高了緊密性，減小縫隙幾何尺寸，有利于降低縫隙腐蝕幾率。

（3）合金成分影響縫隙腐蝕。不銹鋼中的Cr、Ni、Mo的含量對縫隙腐蝕敏感影響較大，隨著Cr、Mo的含量在一定范圍增加，不銹鋼的抗腐蝕能力增強(qiáng)。2號機(jī)換熱器芯管板材質(zhì)為304不銹鋼，而304與316L最大的區(qū)別就是316L在304的基礎(chǔ)上又加入了Mo，同時碳含量更低。因此304不銹鋼材質(zhì)換熱器芯存在縫隙腐蝕的可能。

3.3 換熱器管束脹口連接工藝分析

換熱器管束與管板的連接是換熱器生產(chǎn)中最主要的工序之一，也是可能造成脹口泄漏的因素之一。連接的方法基本上分為脹接、焊接和脹焊結(jié)合三種，由于脹接法能承受較高的壓力，特別適用于材料可焊性差及制造廠的焊接工作量過大的情況。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，現(xiàn)已出現(xiàn)滾柱脹管、爆炸脹管及液壓、液袋和橡膠脹管等新工藝。通過對換熱器管束脹口檢查，確認(rèn)采用機(jī)械脹接工藝。

通過查閱相關(guān)技術(shù)資料，比對脹接方法的優(yōu)缺點，發(fā)現(xiàn)機(jī)械脹接能夠承受一定的軸向力、熱沖擊和反復(fù)熱循環(huán)，在設(shè)備制造中應(yīng)用普遍；但是機(jī)械脹管存在明顯缺點，各管子間的脹度不一，連接強(qiáng)度和緊密度不均；脹管接口的內(nèi)表面產(chǎn)生硬化現(xiàn)象；管子與管板材料脹接的相容性有

一定限制。同時，在對于使用條件苛刻的場合，如承受動載荷和耐腐蝕的換熱器則應(yīng)采用脹接與焊接相結(jié)合的連接形式。由此可見，換熱器管束采用機(jī)械脹接工藝也是造成泄漏的原因之一。

4 防止換熱器縫隙腐蝕的措施

4.1 采用316L不銹鋼材質(zhì)的換熱器。依據(jù)縫隙腐蝕原理分析，改變管板材質(zhì)有利于防止縫隙腐蝕的發(fā)生。車間通過換熱器技術(shù)協(xié)議的簽訂，明確換熱器材質(zhì)使用316L不銹鋼，并在到貨驗收中執(zhí)行。

4.2 嚴(yán)格換熱器采購技術(shù)審查和檢驗。要求換熱器生產(chǎn)廠家在生產(chǎn)中按國標(biāo)要求在管板開槽，增強(qiáng)脹口密封和抗拉性，同時有利于減小縫隙，降低縫隙腐蝕的幾率。

4.3 在空氣壓縮機(jī)等關(guān)鍵設(shè)備換熱器制造工藝中，要求采用橡膠脹壓等新技術(shù)，或脹接與焊接相結(jié)合的連接形式，降低管束泄漏率。

4.4 在循環(huán)水壓力滿足運行設(shè)備需求情況下，開大備用機(jī)組換熱器循環(huán)水閥門，增加換熱器循環(huán)水流速，減少備用機(jī)組換熱器內(nèi)菌藻滋生和碳酸鈣沉積，防止出現(xiàn)管束表面軟垢沉積，杜絕垢下腐蝕。

◆參考文獻(xiàn)

[1] 陳東旭，吳欣強(qiáng)，韓恩厚. 縫隙腐蝕研究進(jìn)展及核電材料的縫隙腐蝕問題[J].中國腐蝕與防護(hù)學(xué)報，2014，34(4)：295-300.

[2] 蘭州石油機(jī)械研究所編. 換熱器（第二版）[M].北京：中國石化出版社，2013.

[3] GB/T 151-2014，熱交換器[S].