分子篩純化系統(tǒng)蒸汽加熱器泄漏故障的分析及處理

王磊

（國能新疆化工有限公司，新疆烏魯木齊 831499）

引言

蒸汽加熱器是分子篩純化系統(tǒng)中的重要設(shè)備之一，其密封性能的高低直接關(guān)系到整套空分設(shè)備的“安、穩(wěn)、長、滿、優(yōu)”運(yùn)行。蒸汽加熱器一旦發(fā)生泄漏，水蒸氣進(jìn)入污氮，就會引起分子篩純化系統(tǒng)的催化劑中毒，所以對蒸汽加熱器密封系統(tǒng)的要求特別高。尤其是在使用一段時間，若檢修運(yùn)行時發(fā)現(xiàn)大面積泄漏，不僅會延誤開車時間，而且拆裝修復(fù)極為不便。

空分裝置蒸汽加熱器（E08）是通過管程250 ℃蒸汽來加熱殼程進(jìn)來的32 ℃的污氮，將污氮加熱到150 ℃以上，送入分子篩中進(jìn)行再生。該加熱器形式為立式管殼式換熱器，管程分為獨(dú)立的兩個腔室，其中管程上封頭位于殼程上部，管程下封頭位于殼程中。具體結(jié)構(gòu)見圖1。

1 故障情況

該設(shè)備自2016年4月27日投用，2020年1月10日至2020 年6 月18 日，該蒸汽加熱器共計發(fā)生6 次換熱管束泄漏，且越往后泄漏越頻繁。同時，根據(jù)統(tǒng)計表可以發(fā)現(xiàn)，泄漏都發(fā)生在西側(cè)腔室的管束上（見圖1）。管束是立式布置，具體泄漏情況見表1。

表1 泄漏情況匯總表

通過對泄漏管束的位置統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，減薄及泄漏位置都集中在管箱（左邊）最先接觸到污氮?dú)馕恢玫那皫着殴苁闹邢虏浚ㄒ妶D2）。

圖2 管束減薄位置

表2 E08設(shè)計參數(shù)

從設(shè)計參數(shù)看，污氮和水蒸氣的進(jìn)口溫差比較大，有218 ℃。管束與殼程壓力差約1 MPa。管束材質(zhì)是10#鋼。從投用2016年4月到發(fā)生泄漏2020年1月，中間使用時間有3年8個月。

2 試驗(yàn)分析

為科學(xué)合理地開展此項(xiàng)分析工作，針對此蒸汽加熱器管泄漏破裂失效的可能原因，將泄漏的管束從換熱器中抽出，擬先進(jìn)行宏觀檢查，在此基礎(chǔ)上展開進(jìn)一步的分析試驗(yàn)工作，找到管束失效的具體原因，并提出安全運(yùn)行的合理建議。

2.1 宏觀檢查

(1)從圖3 換熱管的截面圖可以看出，管束截面壁厚呈現(xiàn)明顯的不同的兩個區(qū)域，從管束端面向內(nèi)部看，可以觀察到一圈一圈的環(huán)形槽。

圖3 管束截面圖

(2)將換熱管束減薄與非減薄分界面剖開，觀察管束內(nèi)部的形貌特征。通過圖4可以觀察到明顯的交替出現(xiàn)的暗黑色區(qū)域和光亮的金屬區(qū)域，通過沿管束軸面觀察，暗黑色區(qū)域要低于光亮區(qū)域。暗黑色區(qū)域處于環(huán)形槽底部，光亮的金屬裸露區(qū)處于環(huán)形槽的頂部。而且圖4 的管束左半部分（泄漏孔所在的面）的暗黑色區(qū)域要大于右半部分。

圖4 沿減薄與非減薄分界面將管束剖開

(3)截取一段未穿孔但有減薄處管束剖開觀察內(nèi)壁形貌，從圖5 上可以看出，減薄處（圖5 上部管束)管束內(nèi)壁有明顯的腐蝕，腐蝕產(chǎn)物較多，而未明顯減薄處（圖5下部管束）管束內(nèi)壁較為光滑。

圖5 未穿孔管束內(nèi)壁形貌

2.2 顯微鏡形貌觀察

通過顯微鏡觀察泄漏管束內(nèi)部形貌，從圖6 可以看出，左側(cè)較小的泄漏孔直徑大概在0.3 mm 左右，右側(cè)較大的泄漏孔長徑在1.3 mm 左右，短徑在0.5 mm 左右，且在兩個泄漏孔之間，還可以看到一串更加小的蝕坑，形成了一條蝕坑帶。

圖6 泄漏管束內(nèi)部顯微形貌

2.3 金相分析

通過對管束進(jìn)行金相分析結(jié)果，從圖7 上可以看出管束的金相結(jié)果正常，主要是鐵素體與珠光體，未出現(xiàn)材質(zhì)劣化現(xiàn)象。

圖7 金相圖片

2.4 掃描電鏡分析

針對管束泄漏孔的掃描電鏡圖，從圖8 上可以看出該泄漏孔周邊較為齊整圓滑，有明顯的向外沖刷的痕跡。同時，在泄漏孔周邊可以看到較為分散的腐蝕凹坑。泄漏孔邊緣有較多腐蝕產(chǎn)物。

圖8 泄漏孔掃描鏡

2.5 能譜分析

對管束內(nèi)壁及點(diǎn)蝕坑內(nèi)腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行能譜分析，結(jié)果見圖9。從能譜分析結(jié)果看，腐蝕垢的主要成分是鐵的氧化物，未見其他的腐蝕介質(zhì)元素。

圖9 泄漏孔附近能譜分析結(jié)果

3 試驗(yàn)結(jié)果與原因分析

（1）從管束的截面宏觀看，管束截面明顯地分為減薄和未減薄兩部分，向污氮側(cè)管束內(nèi)壁較背污氮側(cè)管束內(nèi)壁減薄明顯。從泄漏管束內(nèi)部形貌看，管束內(nèi)壁有明顯的一圈一圈的環(huán)形腐蝕槽特征。

（2）對管束內(nèi)壁的減薄面及未減薄面進(jìn)行金相分析，金相組織主要是鐵素體和珠光體，金相組織正常，說明材質(zhì)未發(fā)生劣化，非材質(zhì)劣化引發(fā)的泄漏。

（3）剖開管束，可以觀察到管內(nèi)壁向污氮側(cè)較背污氮側(cè)的內(nèi)壁裸露金屬更少。從裸露金屬上的豎形條紋可以看出自上而下的蒸汽對管束內(nèi)壁沖刷作用。觀察泄漏孔位置，可以看出泄漏孔都位于向污氮側(cè)環(huán)形槽底部位置，且周圍腐蝕垢都較多。

（4）截取一段未發(fā)生泄漏的管束內(nèi)壁，可以看到向污氮側(cè)管束內(nèi)壁的腐蝕產(chǎn)物要明顯多于背污氮側(cè)。結(jié)果與發(fā)生泄漏的管段特征一致。向污氮側(cè)內(nèi)壁可以看出一處河流狀腐蝕形貌特征，可以證明向污氮側(cè)管束內(nèi)壁曾發(fā)生過蒸汽的液化。腐蝕產(chǎn)物呈層狀、疏松、多孔等特征，這些特征都利于蒸汽凝液的沉積匯聚，伴隨著內(nèi)部蒸汽的高溫作用，會導(dǎo)致沉積匯聚處溶解氧、腐蝕介質(zhì)集聚，濃度上升從而增大腐蝕速率，最終形成局部穿孔泄漏。

（5）通過顯微鏡觀察結(jié)果，兩個泄漏孔均發(fā)生在環(huán)形槽底部。這是因?yàn)殡S著腐蝕的進(jìn)行，腐蝕產(chǎn)物逐漸累積，環(huán)形槽頂部腐蝕產(chǎn)物受到的蒸汽沖刷作用要大于環(huán)形槽底部，導(dǎo)致頂部腐蝕產(chǎn)物形成后就被沖刷帶走，而底部腐蝕產(chǎn)物由于受到環(huán)形槽頂部阻擋沖刷作用減弱，所以底部會形成較厚的腐蝕產(chǎn)物層，這些疏松且?guī)в锌锥吹母g產(chǎn)物層極易成為凝液的沉積匯聚點(diǎn)，且本身由于腐蝕量較大，環(huán)形槽底部管束壁厚更薄，所以導(dǎo)致泄漏部位都發(fā)生在環(huán)形槽底部。

（6）掃描電鏡觀察管束內(nèi)壁及泄漏孔，兩個泄漏孔均有一處開裂，其余位置均較為平整。兩個泄漏孔內(nèi)壁均基本與管束內(nèi)壁垂直，呈鑿槽型特征。在泄漏孔的周邊可以發(fā)現(xiàn)較多的腐蝕產(chǎn)物及分散的點(diǎn)蝕坑。同時在遠(yuǎn)離泄漏孔的位置也都發(fā)現(xiàn)了分散的點(diǎn)蝕坑。說明管束內(nèi)壁存在普遍的點(diǎn)蝕情況，點(diǎn)蝕坑大小不一。

（7）對管束內(nèi)壁能譜分析，在泄漏孔附近及遠(yuǎn)離泄漏孔的位置，能譜分析結(jié)果都含有Fe 和O 元素，個別部位還含有C 元素。說明內(nèi)壁腐蝕介質(zhì)主要是鐵的氧化物。

綜上所述，此次換熱管泄漏原因是垢下腐蝕作用造成的點(diǎn)蝕泄漏。成因是換熱管內(nèi)外的溫差造成管束內(nèi)壁蒸汽液化形成凝液附著在內(nèi)壁上，當(dāng)凝液中有溶解氧時，會發(fā)生溶解氧腐蝕，鐵和水中的溶解氧形成兩個電極，在管束內(nèi)壁表面會形成無數(shù)個微電池。其腐蝕機(jī)理如下[1]：

陽極反應(yīng)：Fe→Fe2++2e（氧化反應(yīng)）

陰極反應(yīng)：02+2H2O+4e→4OH-（還原反應(yīng)）

當(dāng)氧足夠多時，發(fā)生如下反應(yīng)：

4Fe（OH）2+02+2H2O→4Fe（OH）3

Fe（OH）2+2Fe（OH）3→Fe304+4H2O

在弱堿性條件下，溶解析出的鐵離子（Fe2+）變成氫氧化鐵，呈沉積物狀堆積在陽極上，在這種狀態(tài)下，沉積物內(nèi)凝液中的氧濃度與陰極表面上水中的氧濃度之間，由于濃度差而形成氧濃度差腐蝕電池對管束內(nèi)壁造成腐蝕，最終生成性質(zhì)穩(wěn)定的黑褐色的氧化產(chǎn)物Fe304。氧化產(chǎn)物部位提供了溶解氧及堿的濃縮空間，同時溶解氧及堿會對氧化產(chǎn)物層造成腐蝕，使得氧化產(chǎn)物層變得疏松多孔。進(jìn)而使得水蒸氣中的溶解氧易于透過氧化產(chǎn)物層對基體金屬造成直接腐蝕，導(dǎo)致基體組織發(fā)生海綿化。金屬基體組織一旦被海綿化，其耐蝕性能和機(jī)械性能會變差。隨著氧化產(chǎn)物層增厚，氧化產(chǎn)物層中的間隙也在不斷擴(kuò)大、蔓延。凝液匯聚空間也隨之增大增多。對管束內(nèi)壁的腐蝕也隨之加劇。最終造成管束局部垢下腐蝕穿孔泄漏。

根據(jù)發(fā)生泄漏管束位置特點(diǎn)，泄漏管束是向污氮側(cè)前排管束的中下部，這是由于向污氮側(cè)前排管束受到污氮的低溫沖擊換熱更強(qiáng)烈，產(chǎn)生的蒸汽凝液更多，腐蝕也會更嚴(yán)重，隨著對污氮的加熱，到后排管束，污氮溫度已經(jīng)升高，產(chǎn)生的蒸汽凝液少，腐蝕也會減弱。同理，蒸汽自上向下運(yùn)行，隨著對污氮的加熱作用，蒸汽的溫度也隨之降低，到中下部更易液化，且上部凝液受重力及水蒸氣沖刷會向下流淌匯聚，導(dǎo)致下部的溶解氧及腐蝕介質(zhì)含量會更高，所以腐蝕程度管束的中下部要大于上部。

4 改進(jìn)措施

（1）對出現(xiàn)了泄漏的蒸汽加熱器，將換熱器芯抽出查漏堵漏后，可以將換熱器芯進(jìn)行調(diào)向，將向污氮?dú)鈧?cè)的管束調(diào)到背污氮?dú)鈧?cè)管束的位置，減少了原先向污氮?dú)鈧?cè)的管束冷凝液的形成，這樣大大減緩了換熱器腐蝕區(qū)域的加劇，并延長了已經(jīng)腐蝕管束的使用壽命，暫時避免了短時間反復(fù)出現(xiàn)泄漏的問題，給生產(chǎn)的連續(xù)運(yùn)行及設(shè)備重新購置贏得了時間，實(shí)施采用換熱器調(diào)向的措施后，該換熱器連續(xù)又運(yùn)行了近一年，期間未再發(fā)生泄漏。

（2）由于此次泄漏失效主要是垢下腐蝕造成，所以可以定期對管束內(nèi)壁進(jìn)行清洗，將管束內(nèi)壁腐蝕產(chǎn)物清除以降低其積存凝液的空間。尤其是前面幾排直面污氮的管束。

（3）對鍋爐水進(jìn)行處理，降低輸送來蒸汽中的溶解氧含量，從而降低溶解氧腐蝕的程度，減少腐蝕垢的產(chǎn)生?；蛘呒尤牖瘜W(xué)藥劑來防止腐蝕垢的產(chǎn)生。

（4）造成腐蝕主要是管束內(nèi)外溫度差過大使得管束內(nèi)壁形成凝液，在具備條件的情況下可以降低管束內(nèi)外的溫度差避開管束內(nèi)壁的漏點(diǎn)形成可以減少腐蝕的發(fā)生及腐蝕垢的形成。

（5）根據(jù)管束的泄漏特點(diǎn)，可以將換熱管束材質(zhì)由10#鋼更換為不銹鋼304，提高管束的抗垢下腐蝕的能力，新采購的蒸汽加熱器，針對管束材質(zhì)進(jìn)行了相應(yīng)升級。

5 結(jié)束語

蒸汽加熱器中的泄漏會對分子篩產(chǎn)生不良的影響，給生產(chǎn)系統(tǒng)帶來一定安全隱患，因此怎樣有效抑制泄漏，提高蒸汽加熱器的密封性顯得尤為重要，需要有針對性地分析泄漏原因，并對蒸汽加熱器各部件及材質(zhì)升級，從根本上杜絕泄漏的發(fā)生。