苯乙烯裝置脫氫進(jìn)料汽化器泄漏原因分析

郝新煥

（中國石油獨(dú)山子石化分公司研究院，新疆 獨(dú)山子 833699）

0 引言

某苯乙裝置脫氫系統(tǒng)三聯(lián)換熱器21-E-2201/2202/2203作為給脫氫反應(yīng)進(jìn)料預(yù)熱的換熱器，是脫氫系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備之一，其中進(jìn)料汽化器E-2201自2009年投用以來，發(fā)生多次泄漏，造成停工檢修，影響裝置長周期運(yùn)行。為分析判斷E-2201再次泄漏原因，對2019年大修拆除的舊E-2201殼體、管束進(jìn)行破壞性切割，及對現(xiàn)用換熱器進(jìn)行渦流檢測，以查明泄漏原因，后期采取針對性防護(hù)措施，防止泄漏情況繼續(xù)發(fā)生。

1 工藝及設(shè)備簡介

1.1 工藝流程

三聯(lián)換熱器主要作用是回收脫氫反應(yīng)產(chǎn)物中的余熱，用于產(chǎn)低壓蒸汽，降低裝置能耗。其中E-2201回收余熱用于為脫氫反應(yīng)器進(jìn)料預(yù)熱。

E-2201殼程：來自乙苯單元的新鮮乙苯和苯乙烯精餾循環(huán)乙苯與次低壓蒸汽混合后，由換熱器底部對稱的兩個(gè)入口進(jìn)入進(jìn)料汽化器E-2201殼程汽化和過熱，然后再進(jìn)入反應(yīng)進(jìn)料/反應(yīng)出料換熱器E-2202殼程和經(jīng)過E-2201管程的第二反應(yīng)器出口物料反應(yīng)氣換熱，如圖1所示。

圖1 三聯(lián)換熱器流程

E-2201管程：第二脫氫反應(yīng)器R-2101B的反應(yīng)出料依次在脫氫反應(yīng)進(jìn)料/出料換熱器E-2202管程、高壓蒸汽發(fā)生器E-2203管程、進(jìn)料汽化器E-2201管程中與反應(yīng)進(jìn)料乙苯/蒸發(fā)蒸汽逆流換熱后被冷卻，如圖1所示。

1.2 E-2201設(shè)備參數(shù)（如表1所示）

表1 E-2201工藝操作參數(shù)

2 腐蝕檢查

2.1 宏觀檢查

2.1.1 管板

從管板側(cè)看，歷次堵管主要分布在入口兩側(cè)，及兩入口中間截面位置，如圖2所示。管板表面光潔，管口無腐蝕情況。具體情況如圖3所示。

圖2 換熱器21-E-2201堵管示意圖

圖3 E-2201管板管口

2.1.2 管束

在換熱器正對入口的位置，可以看到在防沖桿的下部管束有明顯的腐蝕，局部減薄嚴(yán)重區(qū)域穿孔、破裂。折流板左側(cè)具有沖刷減薄、剝層狀的腐蝕痕跡，邊緣有明顯的圓形的沖擊坑；折流板右側(cè)具有馬蹄狀、由外向內(nèi)的腐蝕特征，表面無腐蝕產(chǎn)物積存，有明顯的汽蝕痕跡。防沖桿表面有大量呈連續(xù)狀的圓形沖擊坑，部分腐蝕坑底深度超過3mm。如圖4所示。

圖4 正對入口的位置的腐蝕情況

在順著流體流動(dòng)的方向開口，發(fā)現(xiàn)第一層和第二層管束也出現(xiàn)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，如圖5所示。

圖5 入口向上2m左右位置的腐蝕情況

再向上，入口順著流體流動(dòng)的方向，開口，可以看到管束完整，無明顯局部腐蝕、穿孔現(xiàn)象。檢查了殼程兩出口位置，內(nèi)部管束光潔，無明顯腐蝕情況。如圖6所示。

圖6 入口向上4m左右位置的腐蝕情況

2.1.3 折流板

在流體接近全部汽化部位，可以看到此處的管板上密布圓形的腐蝕坑，如圖7所示。

圖7 接近全部汽化位置折流板的腐蝕情況

2.2 檢驗(yàn)與檢測

2.2.1 金相分析

入口減薄區(qū)域和未減薄的進(jìn)行取樣，觀察管束的橫截面金相組織。均可以看出母材金相組織為鐵素體+珠光體，外壁未見有氧化層，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，坑底較淺。

圖8 管束金相組織

由此可以看出，E-2201管束組織正常，管束外壁、內(nèi)壁均有腐蝕，但是外壁相比內(nèi)壁腐蝕更加嚴(yán)重。也就是E-2201管束泄漏主要是由于殼程介質(zhì)導(dǎo)致的。

2.2.2 掃描電鏡分析

對腐蝕減薄區(qū)域進(jìn)行清洗后，觀察管束外壁表面（如圖9所示），表面有大量的圓形蝕坑，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，有明顯的沖刷特征。圓形蝕坑坑底存在麻點(diǎn)狀小蝕坑（如圖10所示），有明顯的沖刷腐蝕和汽蝕特征[1,2]。

圖9 減薄管束表面形貌特征

圖10 減薄管束表面微觀形貌特征

2.3 現(xiàn)用換熱器檢測情況

2019年投用的換熱器在2021年4月、8月發(fā)生兩次泄漏。通過渦流檢測、內(nèi)窺鏡檢查發(fā)現(xiàn)嚴(yán)重減薄及失效區(qū)域主要集中在管束下管板向上300～600mm（如圖11的1#進(jìn)料區(qū)）及2500mm左右位置（如圖11的2#區(qū)域）。與舊換熱器及流體模擬發(fā)生沖刷、汽蝕腐蝕的部位一致（如圖11所示）。

圖11 泄漏管束失效部位及流體模擬圖

3 原因分析

工藝條件分析

E-2201殼程中是乙苯和水的共沸物[3,4]，表2為E-2201殼程入口流體工況。管束材質(zhì)為碳鋼，臨界耐沖刷流速在8～9m/s。通過流體模擬得出換熱器殼程介質(zhì)（乙苯和蒸汽混合物）流速在9～17m/s。

表2 殼層出入口流體設(shè)計(jì)工況表

（1）氣液混合物進(jìn)入立式換熱器后，由于流體中夾雜著大量的氣泡，又受到管束內(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，流體速度也加快，在入口附近對外層阻擋了流動(dòng)的管束表面形成較大的沖擊。同時(shí)氣泡與高溫的管束接觸，發(fā)生壓力變化而在管束表面破裂，又不斷沖擊管束。受防沖桿及折流板的阻擋，在水平又向上的流動(dòng)過程中，當(dāng)流體與金屬構(gòu)件作高速相對運(yùn)動(dòng)時(shí)，在金屬表面局部區(qū)域產(chǎn)生渦流，伴隨有氣泡在金屬表面迅速生成和破滅，形成圓形的、馬蹄形的腐蝕形貌。湍流破壞流體的原來的流速分布，在流體與金屬表面產(chǎn)生切應(yīng)力，能剝離金屬表面的保護(hù)層，從而加大了沖刷和汽蝕的速度和破壞力，形成片狀的撕裂的破壞形貌。而在入口附近，受防沖桿、折流板的阻擋，發(fā)生偏流，形成湍流的情況較大[5]。因而造成入口部位外部區(qū)域管束損傷情況嚴(yán)重。結(jié)合金相觀察，應(yīng)是局部金屬表面受沖刷破壞后，又受到汽蝕的結(jié)果；

（2）介質(zhì)往上流動(dòng)的過程中，溫度上升，氣相分率不斷升高，流速逐步加快。越靠近2#汽化區(qū)，液相越少，氣相越多，液相沖刷逐漸減弱，氣相空泡腐蝕逐漸加劇，直至距下管板5119mm左右位置（理論汽化區(qū)，122.5℃）完全氣化后不再發(fā)生腐蝕；

（3） 2019年大檢修后，苯乙烯裝置負(fù)荷控制在69～71t/h運(yùn)行；達(dá)到設(shè)計(jì)負(fù)荷的103%～106%，E2201氣液相負(fù)荷增加如圖12所示，導(dǎo)致殼程流速超過管束臨界耐沖刷流速。

圖12 乙苯蒸發(fā)蒸汽流量變化情況

4 結(jié)論及建議

4.1 結(jié)論

（1）E-2201管束泄漏是乙苯和水的共沸物在一定的流速下帶來的沖蝕與汽蝕的共同作用的結(jié)果；

（2）泄漏主要發(fā)生在換熱器入口到完全汽化的部位，其中入口部位外層主要是“液相沖刷為主、氣相空泡腐蝕為輔”；內(nèi)層及完全汽化區(qū)主要是氣液相變造成的汽蝕；

（3）裝置的高負(fù)荷運(yùn)行，加劇了對管束的沖蝕及汽蝕。

4.2 建議

（1）控制裝置負(fù)荷在67t/h以下運(yùn)行，并加強(qiáng)裝置工藝平穩(wěn)操作，防止進(jìn)料負(fù)荷大幅度波動(dòng)、超負(fù)荷的運(yùn)行；

（2）嚴(yán)格控制換熱器進(jìn)出口溫差、壓力，以防溫差和壓力過大，造成流體汽化速度過快，對換熱器管束沖擊增強(qiáng)；

（3）增加進(jìn)料口，分散進(jìn)料，降低流速，以減輕流體對管束的沖刷腐蝕；

（4）將防沖桿換成防沖板，且將換熱器進(jìn)料部位包裹一圈，根據(jù)腐蝕區(qū)域合理設(shè)計(jì)防沖板的寬度，減少物料對入口管束的沖擊；

（5）考慮改造乙苯進(jìn)料汽化器，將乙苯全汽化進(jìn)料，消除管束液相沖刷風(fēng)險(xiǎn)。