表面蒸發(fā)板式空冷器失效分析與防護(hù)

張學(xué)恒

(中國石化青島煉油化工有限責(zé)任公司，山東 青島 266500)

表面蒸發(fā)板式空冷器是一種將水冷與空冷，傳熱與傳質(zhì)過程融為一體的新型空冷器，具有優(yōu)良的傳熱性能，它是一種傳熱效率高、投資省、操作費(fèi)用低、結(jié)構(gòu)緊湊且節(jié)能節(jié)水的高效冷凝冷卻設(shè)備，它依靠在傳熱表面水膜蒸發(fā)帶走熱量，而且板式布局具有更合理的布膜方式(順風(fēng)布膜)和更有效的蒸發(fā)表面(板式傳熱元件)。表面蒸發(fā)板式空冷器一般由板束、構(gòu)架水箱和噴淋水系統(tǒng)等構(gòu)件組成，板束板片一般選擇316L薄板經(jīng)過模壓成型的LT波紋板型。噴淋水系統(tǒng)由自帶增壓水泵和構(gòu)架水箱形成噴淋水自循環(huán)系統(tǒng)，噴淋水一般設(shè)計(jì)為Cl-含量較低的除鹽水。

某煉化企業(yè)新投用的316L表面蒸發(fā)板式空冷器運(yùn)行不到1 a，相繼發(fā)現(xiàn)多臺(tái)空冷器板片出現(xiàn)泄漏。由于泄漏介質(zhì)屬于可燃介質(zhì)，燃爆危險(xiǎn)性大，安全風(fēng)險(xiǎn)較高。為了找出板片泄漏原因，對(duì)空冷器板片的腐蝕進(jìn)行失效分析，分析泄漏原因，提出改進(jìn)措施。

1 情況簡(jiǎn)介

某公司氣分裝置丙烯塔頂丙烯組分經(jīng)塔頂板式空冷器降溫(由50 ℃降至40 ℃)后進(jìn)入塔頂回流罐，底部產(chǎn)品一部分抽出送入丙烯塔頂層塔板上作回流，另一部分送至下游聚丙烯裝置。丙烯塔頂流程見圖1。

丙烯塔頂空冷器為表面蒸發(fā)板式濕空冷器，正常使用周期為8 a，2019年檢修投用后，僅僅 1 a 時(shí)間并列布置的316L管束多臺(tái)相繼發(fā)生泄漏，設(shè)備運(yùn)行壽命大大降低。

圖1 丙烯塔頂流程

2 失效分析

2.1 失效部位

丙烯塔頂空冷器共9臺(tái)，每臺(tái)2片，并列布置，空冷器相關(guān)參數(shù)見表1。

表1 空冷器相關(guān)參數(shù)

失效部位均集中于丙烯塔頂板式空冷器316L不銹鋼板束中間壓泡部位(見圖2)。

2.2 運(yùn)行分析

丙烯塔頂空冷器管程介質(zhì)主要為丙烯、丙烷和液化石油氣組分，不含硫化氫和氯化氫等腐蝕介質(zhì)(見表2)。

圖2 空冷器泄漏部位

表2 工藝介質(zhì)組成 φ,%

從空冷器管程工藝介質(zhì)組成來看，工藝介質(zhì)不含硫化氫和氯化氫，腐蝕性較低。

由于空冷器外噴淋除鹽水循環(huán)使用，所以定期補(bǔ)充新鮮除鹽水，設(shè)計(jì)正常補(bǔ)充的除鹽水氯離子質(zhì)量濃度低于20 mg/L。根據(jù)泄漏部位和形貌，判斷空冷器板束腐蝕應(yīng)為外部腐蝕，對(duì)5臺(tái)空冷器的噴淋水系統(tǒng)采樣分析氯離子含量，結(jié)果見表3。

表3 2019—2020年噴淋水Cl-分析結(jié)果 mg/L

從5臺(tái)空冷器的噴淋水系統(tǒng)氯離子采樣分析看，2019年12月份氯離子含量開始較正常值略高，從2020年1月初到1月中旬，氯離子含量明顯升高。由于各空冷器并列組成，各自噴淋水循環(huán)系統(tǒng)并不交匯，只有在系統(tǒng)補(bǔ)水時(shí)才會(huì)交匯，所以各臺(tái)數(shù)值有一定差異，但都呈明顯的上升趨勢(shì)。后期系統(tǒng)經(jīng)過多次置換、補(bǔ)水后，氯離子含量在1月末和2月初開始回落，2月中旬基本恢復(fù)正常并保持穩(wěn)定。

2.3 失效分析

2.3.1 失效部位形貌

空冷器板束結(jié)構(gòu)為316L薄板片壓制成形，兩邊薄板組焊并與夾持鑲塊焊接固定后，再與管箱端板焊接構(gòu)成，空冷器板束的基本結(jié)構(gòu)見圖3。

圖3 空冷板束結(jié)構(gòu)

板式空冷器的失效部位大多位于兩片薄板的長(zhǎng)條焊縫和夾持鑲塊與管板的焊縫處，但本次失效部位并不在焊縫和熱影響區(qū)，而位于板片中間部位。

空冷失效部位的宏觀形貌見圖4。由圖4可見穿孔部位蝕孔的外壁側(cè)孔徑達(dá)到2.15 mm，較內(nèi)壁側(cè)孔徑(1.24 mm)大，且在外壁側(cè)蝕孔周圍可見大小不一的點(diǎn)蝕坑，而內(nèi)壁蝕孔周圍未見其他腐蝕坑，說明腐蝕起源于外壁。

圖4 失效部位宏觀形貌

應(yīng)用電子顯微鏡對(duì)板片失效部位進(jìn)行觀察，觀察結(jié)果見圖5。由圖5可見，在板片外表面多部位形成了點(diǎn)蝕坑，蝕坑表面晶界和晶粒間形態(tài)正常，未發(fā)現(xiàn)明顯應(yīng)力導(dǎo)致的塑性變形。

2.3.2 腐蝕產(chǎn)物分析

失效空冷器板片材質(zhì)為316L不銹鋼,對(duì)失效部位的腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行EDS(能譜)分析，結(jié)果見圖6。由圖6可見：點(diǎn)蝕部位表面除含有材料金屬中的元素外，還含有O，Ti，Si，Al，K，Ca，Na，Mg，S和Cl元素。其中Cl元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%。

圖6 EDS分析圖譜示意

對(duì)板片外表面的泥垢樣進(jìn)行分析，結(jié)果見表4。由表4可見：Ca2+含量高，這些Ca2+是由噴淋水系統(tǒng)和大氣微塵帶來的。

表4 表面泥垢樣分析

2.3.3 金相分析

試樣經(jīng)機(jī)械拋光后采用溶液電解腐蝕，對(duì)應(yīng)的金相組織見圖7。結(jié)果表明母材組織中為常規(guī)奧氏體，點(diǎn)蝕部位金相組織并無明顯異常，說明板片并無材質(zhì)缺陷，腐蝕穿孔并非材料劣質(zhì)化導(dǎo)致。

圖7 失效部位金相組織

3 失效原因綜合分析

3.1 噴淋水介質(zhì)調(diào)整

考慮不銹鋼材質(zhì)對(duì)Cl-腐蝕的敏感性，空冷噴淋水系統(tǒng)使用管網(wǎng)除鹽水，其中Cl-和鹽類成分含量指標(biāo)非常低。但該裝置使用的管網(wǎng)除鹽水在失效前半年經(jīng)過調(diào)整，改為城市中水，城市中水的Cl-含量控制不穩(wěn)定，且鹽類物質(zhì)含量較多，使得板片表面結(jié)垢和局部Cl-腐蝕成為可能。

3.2 Cl-腐蝕因素

當(dāng)Cl-質(zhì)量濃度大于300 mg/L時(shí)，316L不銹鋼板片的腐蝕電位下降明顯[1]。316L金屬表面處于鈍化狀態(tài)的金屬膜，溶解和再鈍化處于平衡狀態(tài)，當(dāng)介質(zhì)中的Cl-達(dá)到一定濃度時(shí)，平衡會(huì)受到破壞，處于金屬表面的金屬原子有進(jìn)入溶液的傾向，表現(xiàn)出富余的成鍵能力，吸附溶液中的Cl-，Cl-又能優(yōu)先選擇吸附在鈍化膜上，把其中的氧離子替代，結(jié)合成新的可溶氯化物，結(jié)果在金屬表面鈍化膜薄弱的地方形成腐蝕坑。

對(duì)失效空冷噴淋水的Cl-質(zhì)量濃度分析發(fā)現(xiàn)，正常指標(biāo)控制在50 mg/L以下，但由于調(diào)整為城市中水，Cl-含量控制不穩(wěn)定，且沒有及時(shí)置換調(diào)整，一段時(shí)間內(nèi)Cl-濃度大幅上升，從而導(dǎo)致腐蝕加劇，直到噴淋水重新調(diào)整回除鹽水后，Cl-濃度回歸正常，但已經(jīng)造成了板片的腐蝕。

3.3 結(jié)垢因素

表面蒸發(fā)式空氣冷卻器的表面，微溶性鹽類極易發(fā)生飽和，進(jìn)而結(jié)晶析出，形成硬垢，容易導(dǎo)致微電池腐蝕和濃差電池腐蝕[2]。由于噴淋水改為城市中水，噴淋水在空冷板片表面蒸發(fā)后，板束板片中間部位存在鈣、鎂和硅等碳酸鹽類，形成了結(jié)垢，結(jié)垢部位形成閉塞電池，只剩下金屬腐蝕的陽極反應(yīng)，導(dǎo)致更多的帶負(fù)電Cl-遷移進(jìn)入孔內(nèi)，從而使結(jié)垢部位的金屬氯化物濃縮更加嚴(yán)重，加速腐蝕。一定時(shí)間內(nèi)Cl-濃度的大幅上升，加速了金屬鈍化膜的局部溶解，電極電位向著負(fù)向移動(dòng)，金屬的還原性增強(qiáng)，孔蝕更加嚴(yán)重[3]，最終導(dǎo)致板片泄漏。

4 防護(hù)措施

4.1 材料控制

換熱板片應(yīng)用316L薄板，板片用材的牌號(hào)和化學(xué)成分應(yīng)滿足國家標(biāo)準(zhǔn)，Cr和Mo含量應(yīng)在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的范圍內(nèi)且靠上限，盡量降低材料雜質(zhì)含量，提高抗點(diǎn)蝕能力。

4.2 工藝控制

(1)噴淋水系統(tǒng)應(yīng)用的噴淋水應(yīng)嚴(yán)格控制氯離子、鈣、鎂和硅等含量指標(biāo)，對(duì)噴淋水質(zhì)增加實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，分析指標(biāo)引入DCS監(jiān)控，避免超標(biāo)對(duì)設(shè)備造成損壞；

(2)表面蒸發(fā)板式濕空冷的板片應(yīng)定期采用高壓除鹽水沖洗，尤其注意沖洗壓泡部位的結(jié)垢，避免大量垢類堆積引起垢下腐蝕；

(3)噴淋水系統(tǒng)應(yīng)定期置換、清洗，避免因水蒸發(fā)而導(dǎo)致循環(huán)系統(tǒng)的Cl-含量升高。

5 結(jié) 論

(1)316L板片失效是由碳酸鹽類結(jié)垢導(dǎo)致局部Cl-濃縮，引起奧氏體不銹鋼的Cl-腐蝕穿孔；

(2)噴淋水介質(zhì)的調(diào)整未考慮到對(duì)設(shè)備的后續(xù)影響，是導(dǎo)致板片失效的深層次原因。

(3)氣分裝置丙烯塔頂采用表面蒸發(fā)板式濕空冷器，板片采用316L不銹鋼，容易受到Cl-腐蝕影響，應(yīng)嚴(yán)格控制噴淋水系統(tǒng)中的Cl-和鈣、鎂和硅等含量，應(yīng)利用實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，加強(qiáng)工藝管理，提升管控措施，確保設(shè)備長(zhǎng)周期運(yùn)行。