苯乙烯裝置三聯(lián)換熱器泄漏原因分析與改進(jìn)措施研究

盛楠，米孜拉夫·麥麥提，張小偉，孫康，吳運(yùn)民

（中國(guó)石油獨(dú)山子石化分公司乙烯廠，新疆 獨(dú)山子 833699）

某廠苯乙烯裝置三聯(lián)換熱器分別指進(jìn)料汽化器E-2201、脫氫反應(yīng)進(jìn)料/出料換熱器E-2202、高壓蒸汽發(fā)生器E-2203,是苯乙烯裝置脫氫反應(yīng)單元關(guān)鍵靜設(shè)備，三臺(tái)換熱器管程串聯(lián)在一起，通過(guò)焊接連接組成一個(gè)整體。其中進(jìn)料汽化器E-2201自2009年開(kāi)工投用以來(lái)，曾發(fā)生多次泄漏，造成裝置停工檢修，影響裝置安全生產(chǎn)及經(jīng)濟(jì)效益。2021年1月24日發(fā)現(xiàn)三聯(lián)換熱器出口溫度有所降低（由正常125.5℃降低至114℃左右），結(jié)合歷次三聯(lián)換熱器泄漏的現(xiàn)象，初步懷疑進(jìn)料汽化器可能存在泄漏，為進(jìn)一步驗(yàn)證此現(xiàn)象，車間立即組織對(duì)三聯(lián)換熱器進(jìn)出口取樣，取樣對(duì)比換熱器進(jìn)出口組份確實(shí)存在差異，車間多次組織取樣分析，確認(rèn)三聯(lián)換熱器管程的進(jìn)出口物料乙苯含量和苯乙烯含量差異較大，確定進(jìn)料汽化器再次發(fā)生泄漏。所以徹底分析三聯(lián)換熱器泄漏原因，并提出改進(jìn)措施，消除該設(shè)備隱患，延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命，對(duì)確保裝置的安、穩(wěn)、長(zhǎng)、滿、優(yōu)運(yùn)行有著重要的意義。

1 流程簡(jiǎn)述

進(jìn)料EB與飽和的ILP蒸發(fā)蒸汽混合，分別由兩側(cè)進(jìn)入三聯(lián)換熱器一段的進(jìn)料汽化器E-2201殼程中，乙苯在此換熱器中被汽化，汽化后的蒸汽和乙苯進(jìn)入進(jìn)出料換熱器E2202殼程中被過(guò)熱，過(guò)熱的EB/蒸汽物流與過(guò)熱的稀釋蒸汽混合后進(jìn)入脫氫第一反應(yīng)器開(kāi)始反應(yīng)。反應(yīng)器出料經(jīng)過(guò)E2202的管程、E2203的管程、E2201的管程被冷卻至125.5℃進(jìn)入后系統(tǒng)。

2 歷年檢修情況

進(jìn)料汽化器總管束3652根，2009年9月裝置開(kāi)工投入使用，至2019年8月裝置大檢修更換，運(yùn)行10年，期間共發(fā)生過(guò)4次泄漏。2019年大檢修更換后，在2021年1月再次發(fā)生泄漏。

3 破拆情況說(shuō)明

為徹底、準(zhǔn)確的分析判斷進(jìn)料汽化器管束泄漏原因，車間對(duì)2019年大修拆除的舊設(shè)備殼體、管束進(jìn)行破拆（外壁上開(kāi)孔，逐層切割管束）檢查。

打開(kāi)殼體進(jìn)料口處防沖檔桿表面有明顯沖刷腐蝕坑，防沖檔桿兩側(cè)管束沖刷腐蝕嚴(yán)重，管束破裂。

在打開(kāi)換熱器中部第二至第三觀察孔處也發(fā)現(xiàn)管束破裂穿孔情況，但是腐蝕形貌與沖刷腐蝕不同，主要以點(diǎn)蝕，坑蝕為主：分析因在此位置，乙苯和蒸汽的混合物溫度為122.5℃，接近全部汽化，氣液混合物汽化過(guò)程中產(chǎn)生氣泡，并伴隨氣泡破裂，所以對(duì)此區(qū)域管束破裂初步判斷為空泡腐蝕（氣蝕）造成，此部位內(nèi)壁板處同樣坑蝕嚴(yán)重。

圖1

4 取樣檢驗(yàn)與檢測(cè)情況

對(duì)部分泄漏的管束，進(jìn)行理化分析，大部分樣品肉眼可見(jiàn)已明顯減薄，斷裂部位附近減薄明顯，斷裂邊緣呈刀刃狀，選取樣品的斷口進(jìn)行厚度測(cè)量，發(fā)現(xiàn)斷裂處最小壁厚到了0.72mm。

對(duì)樣品未明顯減薄的管束取樣，使用光譜儀進(jìn)行成分分析：管束的檢測(cè)結(jié)果滿足SA179化學(xué)元素含量的要求，與設(shè)計(jì)要求一致。

對(duì)管束的橫截面進(jìn)行粗磨、細(xì)磨拋光腐蝕后觀察金相組織，樣品母材金相組織為鐵素體加珠光體，外壁未見(jiàn)有氧化層，有大量不連續(xù)的腐蝕坑，僅在腐蝕坑底部存在氧化層；內(nèi)壁腐蝕坑較少且相比外側(cè)腐蝕坑底較淺。由此可以看出，管束組織正常，管束內(nèi)、外壁均有腐蝕，但是外壁相比內(nèi)壁腐蝕更加嚴(yán)重。

對(duì)樣品使用維氏硬度計(jì)進(jìn)行硬度檢測(cè)，減薄區(qū)域和未減薄區(qū)域的硬度檢測(cè)結(jié)果差異不大；對(duì)樣品裸露出金屬光澤的減薄區(qū)域進(jìn)行清洗，觀察管束外壁表面有大量的圓形蝕坑，邊緣有波浪狀紋路的線條，一邊淺一邊深，具有一致的方向性，圓形蝕坑底存在麻點(diǎn)狀小蝕坑。樣品的微觀形貌表明，管束破裂減薄區(qū)域表面有大量的、連續(xù)的圓形腐蝕坑，并帶有方向性，有明顯的沖刷腐蝕和汽蝕特征，因此判斷管束減薄、破裂應(yīng)是沖刷腐蝕和空泡腐蝕共同作用的結(jié)果。

5 2021年4月檢修情況

根據(jù)以往管束泄漏和舊設(shè)備破拆情況，選定進(jìn)料口兩側(cè)和中間泄漏區(qū)域管束進(jìn)行電渦流抽查。

本次共抽檢換熱管166根，檢測(cè)結(jié)果壁厚損失大于60%換熱管共11根；壁厚損失50%～60%管束共5根；壁厚損失40%～50%管束共11根，壁厚損失30%～40%管束共20根，壁厚損失小于30%管束共119根，減薄區(qū)域均位于換熱器進(jìn)料兩側(cè)。上水試漏發(fā)現(xiàn)泄漏管束64根，漏點(diǎn)主要集中在進(jìn)料口兩側(cè)及東側(cè)進(jìn)料第4排。

使用內(nèi)窺鏡對(duì)東側(cè)和西側(cè)進(jìn)料口第一排管束進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)泄漏點(diǎn)位置在從上管板往下7020～7070mm處，換熱器管束總長(zhǎng)度7275mm，漏點(diǎn)均在換熱器下部?jī)蓚?cè)進(jìn)料口部位，且管束已被沖刷斷裂，與破拆情況一致。使用內(nèi)窺鏡對(duì)進(jìn)料第4排泄漏管束進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)泄漏大部分集中在上管板下部4900mm處，低于理論汽化點(diǎn)位位置，根據(jù)破拆情況，判斷此處泄漏原因?yàn)槲锪掀斐晒苁张莞g泄漏。

6 工藝參數(shù)分析

進(jìn)料汽化器管程是脫氫反應(yīng)產(chǎn)物粗苯乙烯、烴類和水，含少量的H2、CO2的混合物，介質(zhì)正常工況下為全氣態(tài)，對(duì)管束內(nèi)壁不存在酸性腐蝕。殼程是乙苯和蒸汽混合物，從取樣分析來(lái)看，腐蝕產(chǎn)物中主要是C、O、Fe，腐蝕性元素很少，腐蝕性輕微。但是殼程進(jìn)料乙苯與水形成共沸進(jìn)入換熱器后，由于流體中夾雜著大量的氣泡，受到管束內(nèi)熱介質(zhì)的加熱，溫度升高，壓力增大，造成流體中的氣體溢出加速，流體速度加快，在入口附近對(duì)管束外表面形成較大的沖擊。同時(shí)氣泡與高溫的管束接觸后發(fā)生破裂，又不斷沖擊管束。受防沖桿及折流板的阻擋，物料在流動(dòng)過(guò)程中，在管束局部區(qū)域產(chǎn)生渦流，伴隨氣泡的迅速生成和破滅，對(duì)管束同時(shí)造成沖刷和空泡腐蝕導(dǎo)致管束泄漏。直到殼程物料溫度達(dá)到122.5℃，氣相分率達(dá)到100%，物料全部汽化，腐蝕速率降低。

7 改進(jìn)措施

（1）加強(qiáng)日常工藝紀(jì)律管理，脫氫反應(yīng)單元升降負(fù)荷操作應(yīng)少量多次，確保進(jìn)料負(fù)荷平穩(wěn)調(diào)整。嚴(yán)格監(jiān)控三聯(lián)換熱器管程出口溫度變化，出現(xiàn)異常下降及時(shí)取樣分析，確定泄漏及時(shí)組織處理，防止泄漏管束斷裂后造成更多管束損傷泄漏。

（2）脫氫反應(yīng)催化劑一般使用周期為24～30個(gè)月，建議每次在換劑窗口期對(duì)三聯(lián)換熱器殼程進(jìn)行上水試漏，發(fā)現(xiàn)管束泄漏及時(shí)堵管消除隱患。對(duì)泄漏管束區(qū)域進(jìn)行電渦流檢測(cè)，對(duì)發(fā)現(xiàn)減薄超過(guò)50%管束進(jìn)行預(yù)防性堵管。對(duì)進(jìn)料管口防沖桿兩側(cè)區(qū)域進(jìn)行預(yù)防性堵管。

（3）升級(jí)換熱管材質(zhì)，由原SA 179材質(zhì)升級(jí)至耐磨性能更好的SA213t22材質(zhì)。此方案在國(guó)內(nèi)某些苯乙烯裝置已應(yīng)用，目前運(yùn)行穩(wěn)定，管束未發(fā)生泄漏情況。

（4）根據(jù)GB/T 30579-2014氣蝕防護(hù)措施中描述，可通過(guò)降低流速來(lái)有效降低氣蝕損傷。

方案一：在進(jìn)料預(yù)熱器E-2201前再增加一臺(tái)乙苯汽化器，乙苯和水蒸氣混合物先進(jìn)入乙苯汽化器進(jìn)行過(guò)熱，形成飽和氣體后再進(jìn)入進(jìn)料預(yù)熱器E-2201中繼續(xù)加熱，這就很大程度上降低了乙苯和水蒸氣混合物在進(jìn)料預(yù)熱器E-2201中的空泡腐蝕情況，此方案還應(yīng)當(dāng)考慮三聯(lián)換熱器熱平衡和應(yīng)力平衡等問(wèn)題，改造工程量較大。

方案二：對(duì)進(jìn)料預(yù)熱器E-2201進(jìn)料形式進(jìn)行改造，可將原設(shè)計(jì)的對(duì)向兩側(cè)進(jìn)料改為環(huán)向進(jìn)料，降低進(jìn)料流速。同時(shí)對(duì)進(jìn)料口防沖檔桿和折流板形式進(jìn)行改造，此改造方案施工量較小，可執(zhí)行性較強(qiáng)。

通過(guò)對(duì)苯乙烯裝置三聯(lián)換熱器E-2201管束泄漏原因分析和相應(yīng)的改進(jìn)措施，消除了管束泄漏隱患，延長(zhǎng)了設(shè)備使用壽命，從而達(dá)到裝置安、穩(wěn)、長(zhǎng)、滿、優(yōu)運(yùn)行目的。