再生塔頂冷凝器失效分析

姜成軍

（上海市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院，上海 200062）

1 再生塔頂冷凝器情況

本設(shè)備為某公司在用的四聯(lián)合裝置中溶劑再生單元的壓力容器，在2019 年10 月某次停車檢修時(shí)，該單元的再生塔頂冷凝器E-8404A 經(jīng)抽芯發(fā)現(xiàn)換熱管管束存在大面積嚴(yán)重腐蝕（圖1、圖2）。

此冷凝器按《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》為II 類容器，容器整體設(shè)計(jì)和制造按GB 150—2011《壓力容器》、GB 151—1999《管殼式換熱器》，并符合《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》，本次為投用后首次定期檢驗(yàn)。冷凝器的主要技術(shù)參數(shù)見表1。

2 再生塔頂冷凝器檢驗(yàn)檢測(cè)試驗(yàn)

2.1 設(shè)備現(xiàn)狀

從圖1、圖2 上可見，管束腐蝕存在局部區(qū)域性的特點(diǎn)，上部的防沖板已腐蝕近1/2 面積，防沖板附近管束腐蝕嚴(yán)重，但其他區(qū)域管束未見腐蝕穿孔。從位置上看，此處正對(duì)應(yīng)于筒體殼程的酸性氣入口接管處。對(duì)酸性氣入口接管進(jìn)行宏觀檢測(cè)和測(cè)厚發(fā)現(xiàn)酸性氣入口處筒體上半圈內(nèi)表面存在腐蝕孔，且該筒節(jié)段內(nèi)表面存在腐蝕留下的痕跡（圖3、圖4）。

圖1 E-8404 管束腐蝕情況全貌

圖2 E-8404 管束嚴(yán)重腐蝕部位

表1 E-8404A 容器的主要技術(shù)參數(shù)

超聲波測(cè)厚發(fā)現(xiàn)接管附近筒體壁厚數(shù)值變化大，壁厚顯示在5.9～12.5 mm[1]。對(duì)該冷凝器工藝分析發(fā)現(xiàn)，從再生塔頂出來的114.3 ℃的酸性氣先經(jīng)空冷器冷凝至55 ℃，再依次經(jīng)過E-8404A 和E-8404B 的循環(huán)水冷凝至40 ℃，查工藝流程圖發(fā)現(xiàn)工藝段設(shè)計(jì)上確定的凝結(jié)水流量419.8 kg/h。殼程介質(zhì)內(nèi)含有大量的凝結(jié)水、硫化氫。

2.2 調(diào)整檢驗(yàn)方案

圖3 E-8404A 接管內(nèi)表面腐蝕

圖4 E-8404A 殼體內(nèi)表面腐蝕孔（打磨后）

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)宏觀及測(cè)厚發(fā)現(xiàn)的情況，為準(zhǔn)確檢測(cè)缺陷尺寸大小及缺陷范圍大小、分析壁厚變化原因、明確損傷機(jī)理，調(diào)整檢驗(yàn)方案、新增檢驗(yàn)項(xiàng)目：①對(duì)冷凝器殼程酸性氣入口接管兩側(cè)A區(qū)域（長(zhǎng)700 mm×寬700 mm）增加相控陣檢測(cè)和內(nèi)外表面磁粉檢測(cè)（圖5 A 區(qū)）；②對(duì)冷凝器殼程酸性氣入口接管內(nèi)表面、外補(bǔ)強(qiáng)圈及角焊縫增加宏觀檢查和表面磁粉檢測(cè)（圖5 A、B 區(qū)）；③對(duì)冷凝器酸性氣出口接管附近區(qū)域殼程筒體新增相控陣檢測(cè)（圖5 C 區(qū)）。

2.3 調(diào)整后的檢驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果

對(duì)A 區(qū)域宏觀檢查發(fā)現(xiàn)內(nèi)表面存在鼓泡、腐蝕孔缺陷，測(cè)厚發(fā)現(xiàn)整體腐蝕減薄，減薄厚度約為3.3 mm[1]。筒體內(nèi)部發(fā)現(xiàn)臺(tái)階狀開裂，內(nèi)表面磁粉檢測(cè)發(fā)現(xiàn)存在12 處裂紋，裂紋最長(zhǎng)約10 mm（圖6～圖9）。通過相控陣檢測(cè)也發(fā)現(xiàn)，此區(qū)域部分鋼板中部到內(nèi)壁的范圍內(nèi)存在較多的階梯狀氫致開裂缺陷，且靠近接管部位發(fā)生約3.5 mm 腐蝕減?。▓D10、圖11）[1]。

對(duì)B 區(qū)域內(nèi)表面宏觀檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，酸性氣入口接管內(nèi)表面角焊縫處存在凹坑，且存在外表面檢漏孔泄漏而留下的痕跡（圖12、圖13）。

圖5 E8404A 冷凝器

酸性氣出口C 區(qū)域接管外表面角焊縫處滲透檢測(cè)發(fā)現(xiàn)密集氣孔，直徑最大為1.5 mm，約20 個(gè)（圖14）。

冷凝器E-8404A 管程及殼程其他區(qū)域宏觀檢查未見明顯異常，RT 射線檢測(cè)焊縫抽查檢測(cè)合格。

3 缺陷分析和損傷模式識(shí)別

經(jīng)檢查內(nèi)表面接管處的凹坑和外表面密集氣孔多為制造缺陷，現(xiàn)主要對(duì)再生塔冷凝器E-8404A 的兩個(gè)使用過程中產(chǎn)生缺陷進(jìn)行損傷模式分析：①殼程A 區(qū)域存在的內(nèi)表面開裂、鼓泡、腐蝕孔、臺(tái)階狀內(nèi)部裂紋；②換熱管管束腐蝕泄漏。

3.1 工藝流程分析

由于該容器為首次全面檢驗(yàn)，該容器與2014 年1 月3 日監(jiān)督檢驗(yàn)合格出廠（監(jiān)檢編號(hào)：RJ4-2014-84-L03-0007），可以確定以上兩處缺陷是在使用過程中產(chǎn)生。為分析缺陷成因，對(duì)設(shè)備使用狀況和生產(chǎn)工藝方向進(jìn)行研究（圖15）。通過對(duì)設(shè)備質(zhì)量證明書及PID（Piping and Instrument Diagram，管道和儀表流程圖）工藝圖確認(rèn)發(fā)現(xiàn)，E-8404A 酸性氣體入口處存在濕硫化氫腐蝕環(huán)境。從表2 工藝PID 物流介質(zhì)成分也可知：酸性氣體中濕硫化氫流量5093.2 kg/h，水流量125.6 kg/h，氨流量10.9 kg/h。

E-8404A 入口處酸性氣體溫度約為55 ℃，該處換熱管束循環(huán)水溫度33～40 ℃，殼體材料為Q245，在濕硫化氫腐蝕易發(fā)生溫度區(qū)間（80 ℃內(nèi)）。

3.2 殼體A 區(qū)域損失模式識(shí)別

從工藝分析可知，在殼體A 區(qū)域處存在典型的濕硫化氫環(huán)境。在濕硫化氫的環(huán)境下電離出氫離子，從鋼材表面得到電子后還原成氫原子，反應(yīng)公式為：H2S→H++HS-，F(xiàn)e→Fe2++2e-；Fe2++HS-→FeS+H+。

圖6 內(nèi)表面開裂及鼓包

圖7 A 區(qū)域內(nèi)表面減薄

圖8 A 區(qū)域內(nèi)表面裂紋1

圖9 A 區(qū)域內(nèi)表面裂紋2

氫原子之間有較大的親和力，易結(jié)合形成氫分子排出。在擔(dān)當(dāng)介質(zhì)中存在硫化物時(shí)將消弱這種親和力，部分抑制了氫分子的形成，導(dǎo)致原子半徑極小的氫原子很容易滲入鋼材內(nèi)部并溶入晶格中[2]。濕硫化氫環(huán)境中的開裂有氫鼓泡（HB）、氫致開裂（HIC）、硫化物應(yīng)力腐蝕開裂（SSCC）和應(yīng)力導(dǎo)向氫致開裂（SOHIC）4 種形式。當(dāng)氫原子在靠近表面部位聚集并形成一定壓力后會(huì)導(dǎo)致表面鼓包，隨著壓力增大最終導(dǎo)致表面開裂。氫致開裂是金屬內(nèi)部不同層面或鄰近金屬表面的氫鼓泡相互連接而形成的內(nèi)部階梯式開裂[3]。調(diào)整后的宏觀檢查、磁粉檢驗(yàn)、相控陣檢測(cè)等發(fā)現(xiàn)的鼓包、裂紋、階梯狀開裂都驗(yàn)證A 區(qū)域發(fā)生濕硫化氫損傷。

圖10 相控陣檢測(cè)范圍

圖11 相控陣檢測(cè)部分結(jié)果

圖12 接管內(nèi)表面角焊縫處凹坑

3.3 管束腐蝕泄漏的損傷模式識(shí)別

濕硫化氫在腐蝕方面主要表現(xiàn)為均勻腐蝕，并不能對(duì)管束產(chǎn)生如圖1、圖2 這類快速的局部腐蝕，因此需要另行查明管束局部腐蝕的原因。查閱設(shè)備設(shè)計(jì)圖紙的技術(shù)要求第3 條：“換熱管應(yīng)按《耐濕硫化氫腐蝕用換熱管10（HSC）技術(shù)要求》進(jìn)行制造，驗(yàn)收；換熱管采用整根管子制造，不允許拼接?！惫苁O(shè)計(jì)制造所選用的10（HSC）管束具有一定的耐濕硫化氫腐蝕性能。

圖13 外表面檢漏孔存在泄漏痕跡（打磨前）

通過分析E-8404A 工藝中殼程介質(zhì)酸性氣成分為：H2S 和NH3，不含CO2；管程介質(zhì)為循環(huán)水。從表1 的管程、殼程壓力對(duì)比可知當(dāng)有1 根管束由于腐蝕或沖刷等發(fā)生泄漏時(shí)，管程中的循環(huán)水（0.5 MPa）就因?yàn)閴毫Ω叨M(jìn)入只有0.1 MPa 殼程，并與殼程介質(zhì)酸性氣混合。而殼程酸性氣成分中H2S和NH3都易容與水生成硫氫化銨（NH4HS）酸性水，可以確定該管束發(fā)生酸性水腐蝕（堿式酸性水）即銨鹽腐蝕[4]。硫氫化銨（NH4HS）酸性水腐蝕反應(yīng)式 為：NH4HS+H2O+Fe →FeS+NH3.H20+H2。硫氫化銨熔點(diǎn)118 ℃，在120 ℃升華，在空氣中易被氧化，生成多硫化物而很快變黃[5]。腐蝕開裂的管子里出現(xiàn)的大片黃色物質(zhì)也驗(yàn)證了硫氫化銨的出現(xiàn)（圖16）。

圖14 角焊縫密集氣孔

圖15 再生塔及冷凝器工段工藝流程

硫氫化銨酸性水腐蝕損傷特征：①介質(zhì)流動(dòng)方向發(fā)生裱花的部位，或硫氫化銨濃度超過2%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的湍流區(qū)，易形成嚴(yán)重局部腐蝕；②介質(zhì)注水不足以溶解硫氫化銨時(shí)，低流速區(qū)可能出現(xiàn)結(jié)垢，發(fā)生垢下局部腐蝕。熱交換器管束發(fā)生結(jié)垢時(shí)，還可能出現(xiàn)堵塞和換熱效率減低等情況[5]。從管束腐蝕的區(qū)域分布上看，該損傷與管道的沖刷和流速有一定的關(guān)系，也與損失形態(tài)特征符合。

4 失效分析結(jié)論及檢驗(yàn)建議

經(jīng)對(duì)該冷凝器E-8404A 的全面檢驗(yàn)及失效分析發(fā)現(xiàn)，此冷凝器殼程酸性氣入口接管兩側(cè)存在明顯濕硫化氫失效破壞，以及管束發(fā)生硫氫化銨酸性水腐蝕兩種損傷模式。建議更換的殼程材料可以采用抗?jié)窳蚧瘹涞碾p相鋼材料，換熱管采用抗硫氫化銨酸性水腐蝕的雙相鋼材料。通過對(duì)本臺(tái)設(shè)備的檢驗(yàn)，以后的定期檢驗(yàn)等工作建議如下：

表2 再生塔冷凝器酸性氣成分含量

（1）重視宏觀檢查和測(cè)厚檢驗(yàn)，重視工藝流程分析，避免漏檢。本次檢驗(yàn)的冷凝器開始僅發(fā)現(xiàn)換熱管束泄漏，如果不了解設(shè)備工藝工況，未及時(shí)調(diào)整檢驗(yàn)方案，增加新技術(shù)手段，將會(huì)導(dǎo)致A 區(qū)域（殼體母材）的漏檢。不同設(shè)備損傷模式并不相同，且同樣的設(shè)備在同套裝置中并不一定都會(huì)發(fā)生相同的損傷失效，重點(diǎn)是做到檢測(cè)有重點(diǎn)、檢驗(yàn)有重心。

圖16 硫氫化銨空氣中氧化產(chǎn)生的黃色多硫化物

（2）從成套裝置的角度進(jìn)行設(shè)備檢驗(yàn)。對(duì)單臺(tái)容器發(fā)現(xiàn)的問題，應(yīng)從成套裝置工藝、生產(chǎn)等角度來開展后續(xù)檢驗(yàn)。如對(duì)E-8404A 溶劑再生單元中同裝置的再生塔、再沸器、閃蒸罐等設(shè)備都應(yīng)重點(diǎn)檢查（但檢查方法和重點(diǎn)部位應(yīng)依設(shè)備工藝特性而定）。對(duì)有相同工況的E-8304A 和E-8304B 更應(yīng)重點(diǎn)檢查。同時(shí)對(duì)這些關(guān)鍵設(shè)備相連接的壓力管道，如400-SG-830202-2L8S1、350-SG-830203-2L8S1、800-LAS-830203-2L8S 等，通過對(duì)保溫、伴熱、工藝參數(shù)等情況判斷是否存在冷凝、露點(diǎn)、結(jié)晶等導(dǎo)致的管道失效，后續(xù)檢驗(yàn)中也應(yīng)重點(diǎn)檢查。