汽化塔汽化器失效分析

任國(guó)棟

摘 要：本文通過(guò)對(duì)汽化器泄露分析，得出氯硅烷的介質(zhì)的失效模式，并提供了關(guān)于失效分析的基本思路，提出了使用過(guò)程中的注意事項(xiàng)，為今后使用單位的生產(chǎn)安全提供了技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞：汽化器;泄露;氯硅烷;失效模式

汽化塔汽化器是用來(lái)將塔內(nèi)的氯硅烷加熱到蒸氣態(tài)，然后由塔頂經(jīng)T903分離后輸送到三氯氫硅和四氯化硅相應(yīng)的儲(chǔ)罐中，進(jìn)行下一步的工藝合成。汽化器E922與汽化塔T903是連通器，上下封頭及換熱管里面充滿氯硅烷，殼程外面的蒸汽對(duì)管程內(nèi)部的物料進(jìn)行加熱，加熱后的物料以氣態(tài)的形式由汽化塔上封頭出口輸出到精餾塔T904，氣態(tài)的氯硅烷通過(guò)精餾塔T904進(jìn)行分離，分離出來(lái)的三氯氫硅和四氯化硅經(jīng)冷卻后分別存入相應(yīng)的儲(chǔ)罐中。2013年8月，某公司購(gòu)買E922汽化塔汽化器。2013年12月安裝完畢并進(jìn)行整體試壓。2014年1月開始運(yùn)行，開車運(yùn)行約10天后，由于工藝調(diào)試而停車。同年6月開車，負(fù)荷約3%。直到2014年12月，發(fā)現(xiàn)第一臺(tái)E0413泄漏，隨后發(fā)現(xiàn)E922升壓異常，一個(gè)月后打開E922換熱器封頭，發(fā)現(xiàn)換熱管被水解產(chǎn)物堵塞，因此，才發(fā)現(xiàn)汽化器存在泄漏問(wèn)題。

1 壓力容器宏觀檢查

1.1換熱管檢查

通過(guò)對(duì)換熱管進(jìn)行宏觀檢查，發(fā)現(xiàn)換熱管已經(jīng)生銹，換熱管內(nèi)部充滿產(chǎn)物已經(jīng)堵死換熱管;換熱管蒸汽入口未見任何附作物，而在冷凝水出口側(cè)有較多腐蝕產(chǎn)物附著在換熱管上。換熱管外表面有較多腐蝕小坑，小孔，有的已經(jīng)完全穿孔。部分換熱管內(nèi)表面局部區(qū)域有少量的小孔，小坑;而有些換熱管內(nèi)表面有大量的蝕孔、小坑。換熱管與折流板應(yīng)該存在縫隙腐蝕，但實(shí)際過(guò)程中縫隙腐蝕并不明顯，說(shuō)明：（1）蒸汽介質(zhì)比較干凈;（2）使用時(shí)間不夠長(zhǎng)。

1.2管板檢查

高溫側(cè)管板局部腐蝕形成凹面，凹陷深度約2mm。焊縫余高已經(jīng)完全腐蝕，換熱管與管板已經(jīng)剝離。

冷凝水出口側(cè)的管板已經(jīng)腐蝕，主要表現(xiàn)在換熱管減薄嚴(yán)重，表現(xiàn)為全面減薄，最薄部位約1mm。

2 理化及無(wú)損檢測(cè)

2.1管板密封焊無(wú)損檢測(cè)

對(duì)管板部位按照出廠資料里面的檢測(cè)部位進(jìn)行檢測(cè)，未見相關(guān)顯示，但局部地方強(qiáng)度焊焊縫已經(jīng)徹底腐蝕掉了，只剩下管子和管板，沒(méi)有焊縫了。

2.2換熱管滲透檢測(cè)

通過(guò)對(duì)換熱管內(nèi)壁和外壁進(jìn)行滲透檢測(cè)，未發(fā)現(xiàn)裂紋，但有腐蝕坑和連續(xù)的點(diǎn)狀腐蝕。說(shuō)明：換熱管不存在應(yīng)力腐蝕開裂。

3 換熱管泄漏分析

3.1夾雜物檢測(cè)

將對(duì)3個(gè)有腐蝕穿孔的換熱管打磨拋光，放大100倍進(jìn)行夾雜物觀察，未見明顯夾雜物。

3.2金相檢驗(yàn)

將對(duì)3個(gè)有腐蝕穿孔的換熱管進(jìn)行金相檢驗(yàn)，除正常的奧氏體組織和少量的孿晶外，未發(fā)現(xiàn)其他相，組織為奧氏體+少量孿晶，符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

3.3換熱管外部掃描電鏡檢查

將兩個(gè)不同換熱管制樣進(jìn)行電鏡檢查，發(fā)現(xiàn)有較多的腐蝕孔，腐蝕孔周邊有相互毗連的小腐蝕孔，表面的氧化鉻保護(hù)膜已經(jīng)破壞。腐蝕特征符合氯離子腐蝕形貌的特征，腐蝕孔里附著了較多腐蝕產(chǎn)物。經(jīng)能譜檢測(cè)均發(fā)現(xiàn)有CL元素。

3.6換熱管外部腐蝕產(chǎn)物能譜分析

通過(guò)能譜檢測(cè)可以發(fā)現(xiàn)，內(nèi)部CL元素，S元素含量較高，其中CL原素對(duì)不銹鋼腐蝕起到?jīng)Q定性的作用。但是，S元素的來(lái)源可能是來(lái)自外界雨水。

3.7換熱管內(nèi)部電鏡及能譜分析

取未水解的“干凈”換熱管刨開進(jìn)行內(nèi)部電鏡及能譜檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)具有點(diǎn)蝕現(xiàn)象，且腐蝕產(chǎn)物較多，點(diǎn)蝕特征符合氯離子腐蝕特點(diǎn)。經(jīng)能譜分析，且CL元素，S元素，硅元素含量較高。其中CL元素會(huì)發(fā)生點(diǎn)蝕現(xiàn)象。

由換熱管內(nèi)外能譜圖對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，內(nèi)部CL元素較高，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于外部的CL元素含量，由此可以斷定，CL元素是內(nèi)部產(chǎn)生的。因此，換熱管由內(nèi)到外腐蝕穿孔的現(xiàn)象便得到了解釋。

3.8 X射線衍射分析

1號(hào)樣品為換熱管外附著的產(chǎn)物，且潮濕，且氯化鐵的含量最高，說(shuō)明在泄漏發(fā)生后，被水解產(chǎn)物覆蓋形成酸性條件下的垢下腐蝕，經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間的腐蝕，里面的氯化鐵含量自然是很高，這樣腐蝕產(chǎn)物的結(jié)論相一致。

2號(hào)樣品為碳鋼殼體上面附著的鐵渣碎片，經(jīng)分析，發(fā)現(xiàn)里面的氯化鐵含量已經(jīng)達(dá)到最高，說(shuō)明該部位位于強(qiáng)酸性的環(huán)境下形成的腐蝕，這說(shuō)明泄漏發(fā)生后，物料氯硅烷與水反應(yīng)生成的HCL溶于水形成酸性較強(qiáng)的鹽酸，碳鋼殼體與鹽酸反應(yīng)導(dǎo)致的產(chǎn)物。且碳鋼殼體發(fā)生嚴(yán)重減薄也是由于鹽酸腐蝕造成的。

3號(hào)試樣為干燥的附著于換熱管外壁的淺黃色粉末，說(shuō)明是最先發(fā)生水解時(shí)的狀態(tài)。

4 失效分析

4.1換熱器泄漏部位的確定

通過(guò)對(duì)換熱管的逐一檢查，發(fā)現(xiàn)換熱管的腐蝕孔是由內(nèi)壁到外壁腐蝕穿孔的。而氯硅烷物料中并不含有鹵素元素，特別是游離態(tài)的氯元素或者氯離子。這是由于殼程的水蒸汽進(jìn)入到了管箱內(nèi)造成的水解反應(yīng)而生成白色的SiO2絮狀物。上封頭管板有大量的絮狀物附著在管板，且局部較厚，而下封頭沒(méi)有絮狀物附著，說(shuō)明，蒸汽是由上封頭管板泄露到管箱內(nèi)造成化學(xué)反應(yīng)的。白色絮狀物為SiO2的水合物。

4.3.2泄露點(diǎn)的查找及驗(yàn)證

通過(guò)對(duì)換熱器上下兩管板及脹接焊縫進(jìn)行滲透檢測(cè)，管板本體及強(qiáng)度焊焊縫均未發(fā)現(xiàn)缺陷。通過(guò)上封頭管板的宏觀形貌發(fā)現(xiàn)，有局部一小部分強(qiáng)度焊焊縫已經(jīng)被完全腐蝕掉了。腐蝕區(qū)域可以看到，強(qiáng)度焊焊縫已經(jīng)徹底腐蝕掉了，換熱管端部已經(jīng)與管板分離。

4.4強(qiáng)度焊焊縫腐蝕成因分析

由于水進(jìn)入管箱發(fā)生反應(yīng)生成SiO2和鹽酸，因此管箱內(nèi)覆蓋到管板上，生成的鹽酸，鹽酸由上管箱沿著管程內(nèi)部進(jìn)入到下管箱，因此下管箱在立式的狀態(tài)下鹽酸含量非常高。隨后發(fā)現(xiàn)泄漏后從裝置上拆下來(lái)放到平地上。此時(shí)，上封頭管板SiO2覆蓋部位存在垢下腐蝕，經(jīng)過(guò)約2年的時(shí)間，強(qiáng)度焊焊縫被完全腐蝕掉了。其他地方SiO2覆蓋區(qū)域較淺，水汽容易蒸發(fā)，因此沒(méi)有覆蓋層厚的地方腐蝕嚴(yán)重。該部分焊縫腐蝕完畢，且管板SiO2覆蓋范圍內(nèi)已經(jīng)腐蝕，管板內(nèi)凹，是由于水解后的白色絮狀二氧化硅附著在管板上，且較厚，在酸性條件下形成垢下腐蝕，因此局部腐蝕內(nèi)凹，內(nèi)凹深度約2mm。

4.5管束端全面腐蝕成因分析

拆裝下來(lái)的換熱器存放于廢料場(chǎng)，未經(jīng)任何處理，換熱管依舊處于強(qiáng)酸的腐蝕中，當(dāng)PH值低時(shí)（在強(qiáng)酸溶液中），金屬易發(fā)生嚴(yán)重的全面腐蝕，而不是點(diǎn)蝕。因此，在管板處換熱管全面減薄剩余壁厚不到1mm，有的地方已經(jīng)壁厚已經(jīng)完全腐蝕完畢，是由泄漏以后形成的強(qiáng)酸環(huán)境下造成的，并非最初的泄漏。

4.6換熱管強(qiáng)度焊焊縫泄漏原因分析

4.6.1強(qiáng)度焊焊縫存在薄弱部位

經(jīng)過(guò)工作人員的操作，局部強(qiáng)度焊焊縫存在薄弱部位，受應(yīng)力的影響造成開裂，導(dǎo)致泄漏。

1、換熱管管束材料的化學(xué)成分、硬度、金相組織、晶間腐蝕，固溶處理等均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，但部分換熱管晶粒度偏大，晶粒偏小，對(duì)抗晶間腐蝕有不利影響，

2、換熱管腐蝕穿孔是由于發(fā)生泄漏后遇水反應(yīng)生成鹽酸，由鹽酸長(zhǎng)時(shí)間在管道內(nèi)部腐蝕造成的;

3、換熱器封頭壁厚、內(nèi)部缺陷，表面缺陷等均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，但換熱器封頭與法蘭焊接縫有缺陷，按照當(dāng)時(shí)檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)的試樣的情況下，其級(jí)別評(píng)定為III級(jí)。

4、換熱器筒體及封頭焊縫射線檢測(cè)結(jié)論滿足標(biāo)準(zhǔn)要求;

5、換熱管泄漏常規(guī)做法是堵管，更換換熱管代價(jià)較大，對(duì)于本壓力容器放置2年的時(shí)間來(lái)說(shuō)，不具有維修價(jià)值;

6、壓力容器的設(shè)計(jì)滿足標(biāo)準(zhǔn)要求;

7、換熱器管板與換熱管連接的強(qiáng)度焊焊縫存在薄弱位置以及操作過(guò)程中開車-停車-開車的環(huán)節(jié)中由升溫和降溫導(dǎo)致熱應(yīng)力沖擊是主要原因。

5 建議

（1）加強(qiáng)強(qiáng)度焊焊縫探傷及焊接質(zhì)量，盡量減少焊縫存在薄弱部位。

（2）對(duì)設(shè)備開、停、升溫、降溫過(guò)程應(yīng)該平緩，使設(shè)備運(yùn)行平穩(wěn)。