醇氨气化装置换热器腐蚀失效分析及对策_曹刚.pdf

D O I:1 0.1 1 9 7 3/f s y f h-2 0 2 3 0 2 0 1 8醇氨气化装置换热器腐蚀失效分析及对策曹 刚,姚兴军,陈琴珠(华东理工大学机械与动力工程学院,上海 2 0 0 2 3 7)摘 要:某石化企业醇氨气化装置换热器在循环水冷却高压密封水过程中发生了腐蚀穿孔失效。通过对该换热管腐蚀部位材料化学成分、循环水水质质以及腐蚀产物的化学成分进行检验,分析了换热管失效的原因。结果表明:由于设计不当,该换热器壳程入口处流体流速较低,使循环水中的大量硫、氯腐蚀性离子沉淀在管道上,最终导致换热管腐蚀。通过壳程入口结构改进,腐蚀部位流速从0.7 m/s提高到1 m/s以上,使腐蚀性离子不再停滞在换热管上,从而改善了换热器的腐蚀。关键词:换热器;腐蚀失效;结构改进中图分类号:T E 9 8 0 文献标志码:B 文章编号:1 0 0 5-7 4 8 X(2 0 2 3)0 2-0 1 0 9-0 5C o r r o s i o n F a i l u r e A n a l y s i s a n d C o u n t e r m e a s u r e s o f H e a t E x c h a n g e r o f A l c o h o l-A mm o n i a G a s i f i c a t i o n U n i tC AO G a n g,YAO X i n g j u n,CHE N Q i n z h u(S c h o o l o f M e c h a n i c a l a n d P o w e r E n g i n e e r i n g,E a s t C h i n a U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y,S h a n g h a i 2 0 0 2 3 7,C h i n a)A b s t r a c t:A h e a t e x c h a n g e r o f a n a l c o h o l-a mm o n i a g a s i f i c a t i o n u n i t i n a p e t r o c h e m i c a l p l a n t s u f f e r e d f r o m c o r r o s i o n a n d p e r f o r a t i o n f a i l u r e i n t h e p r o c e s s o f c i r c u l a t i n g w a t e r c o o l i n g h i g h-p r e s s u r e s e a l i n g w a t e r.T h e f a i l u r e c a u s e s o f h e a t e x c h a n g e p i p e s w e r e a n a l y z e d t h r o u g h e x a m i n a t i o n s o f t h e c h e m i c a l c o m p o s i t i o n o f t h e c o r r o d e d m a t e r i a l,c i r c u l a t i n g w a t e r q u a l i t y a n d c o r r o s i o n p r o d u c t s.T h e r e s u l t s s h o w e d t h a t t h e f l u i d v e l o c i t y a t t h e i n l e t o f t h e h e a t e x c h a n g e r s h e l l s i d e w a s t o o l o w d u e t o i m p r o p e r d e s i g n,r e s u l t i n g i n a l a r g e n u m b e r o f c o r r o s i v e i o n s o f s u l f u r a n d c h l o r i n e p r e c i p i t a t e d o n t h e p i p e s f r o m t h e c i r c u l a t i n g w a t e r,e v e n t u a l l y l e a d i n g t o t h e c o r r o s i o n o f t h e h e a t e x c h a n g e p i p e s.T h r o u g h t h e i m p r o v e m e n t o f t h e s h e l l s i d e i n l e t s t r u c t u r e,t h e f l u i d v e l o c i t y a t t h e c o r r o d e d p a r t w a s i n c r e a s e d f r o m 0.7 m/s t o m o r e t h a n 1 m/s,s o c o r r o s i v e i o n s n o l o n g e r s t a g n a t e d o n t h e h e a t e x c h a n g e p i p e s,t h e r e b y i m p r o v i n g t h e c o r r o s i o n o f t h e h e a t e x c h a n g e r.K e y w o r d s:h e a t e x c h a n g e r;f a i l u r e a n a l y s i s;s t r u c t u r e i m p r o v e m e n t 换热器普遍应用于石油化工、冶金、电力等行业,且在此类工程设备中其投资比例近4 0%。由于换热器的工作条件为高温、高压恶劣环境,因此设备经常出现故障。换热管腐蚀穿孔在石化生产中非常普遍,研究表明5 0%以上的故障和事故都是由换热管腐蚀泄漏而导致的1。石化生产的工况复杂,介质特殊,因 此 换 热 管 的 腐 蚀 穿 孔 原 因 也 十 分 复杂2-6。某石化企业醇氨气化装置中的管壳式换热器发生了腐蚀穿孔。对换热器进行现场拆检,发现其换收稿日期:2 0 2 1-0 1-1 8通信作者:姚兴军(1 9 6 8-),博士,副教授,研究方向为过程装备、热 质 传 递 节 能 减 排 技 术,6 4 2 5 3 3 3 1,x j y a o e c u s t.e d u.c n热管内部存在较多的锈瘤痕迹,而换热管外侧则有大量的垢层。通过气密性试验检测出该换热器的8根换热管发生了泄漏,并且泄漏管集中在换热器壳程入口靠近换热器上方边缘位置,如图1所示。对失效换热管进行了理化检验及数据模拟,探讨了其在生产过程中的腐蚀机理,并提出换热器壳程流体流速会对 局部换热管 的腐 蚀 穿 孔 产 生 影响7,以及导流筒本身设计因素导致换热器壳程流体入口处局部换热管出现腐蚀穿孔。最后给出相应的解决措施,为研究换热管腐蚀穿孔失效提供借鉴。1 理化检验与结果1.1 宏观腐蚀形貌观察观察拆检下的换热管,发现换热管泄漏处管壁呈现金属性光泽,管壁存在明显的局部减薄以及马901第4 4卷 第2期2 0 2 3年2月腐蚀与防护C O R R O S I ON&P R O T E C T I ONV o l.4 4 N o.2F e b r u a r y 2 0 2 3(a)正面(b)侧面图1 失效换热管的位置F i g.1 P o s i t i o n o f t h e f a i l e d h e a t e x c h a n g e p i p e s:(a)f r o n t;(b)s i d e蹄形凹坑,如图2(a)所示;同时,泄漏孔周边管壁也呈现金属光泽,并且管壁上有明显的规律性切割痕迹,管壁也发生了减薄,如图2(b)所示。1.2 管材组织与能谱分析从腐蚀穿孔的换热管上截取金相试样,处理后利用光学显微镜观察其组织,结果如图3所示。由图3可见,失效换热管组织为铁素体和珠光体,组织分布均匀(铁素体均匀分布在珠光体之中)。对失效换热管进行能谱(E D S)分析,结果如图4所示。由图4可见,失效换热管材料中主要含有F e、M n、S i、C等元素。该失效换热管材料为2 0钢。根据G B/T 7 1 1-2 0 1 7 优质碳素结构钢热轧钢板和钢带 标准可知,2 0钢主要成分(质量分数)为0.1 7%0.2 3%C、0.1 7%1.3 7%S i、0.3 5%0.6 5%M n、余量 为F e。从失效换热管的显微组织与能谱分析结果可知,该换热管所使用的材料符合设计制造要求。1.3 循环冷却水水质分析循环冷却水作为换热器壳程的工作介质,其水质与换热管的腐蚀有着密切的联系。图5为日常检测记录的循环冷却水中氯离子含量分布。从图5中可以看到,循环冷却水中氯离子含量存在超标现象(a)泄漏孔(b)泄漏孔附近图2 失效换热管的宏观形貌F i g.2 M a c r o m o r p h o l o g y o f f a i l e d h e a t e x c h a n g e p i p e:(a)l e a k i n g h o l e;(b)n e a r l e a k i n g h o l e图3 失效换热管的显微组织F i g.3 M i c r o s t r u c t u r e o f f a i l e d h e a t e x c h a n g e p i p e图4 失效换热管的E D S谱F i g.4 E D S s p e c t r u m o f f a i l e d h e a t e x c h a n g e p i p e(标准限值为小于0.0 4%)。由此可见,该生产基地所使用的循环冷却水水质比较差,在高温高压的环境中,氯离子会对换热器管道造成严重的腐蚀。1.4 垢层能谱分析对失效换热管外管壁上的垢层进行能谱分析,011曹 刚,等:醇氨气化装置换热器腐蚀失效分析及对策图5 循环水氯离子含量分布图F i g.5 C i r c u l a t i n g w a t e r c h l o r i d e i o n c o n t e n t d i s t r i b u t i o n d i a g r a m结果如表1所示。由表1可见,垢层中含有O、P、S、C l、C a、F e、Z n,C l等元素,其中较多元素的离子对换热管具有较强腐蚀作用。根据垢层能谱分析结果可以推测,垢层中含有大量以C a、M n、P、M g、S等为主要元素的结垢产物,以及以F e、O为主要元素的 腐 蚀 产 物。结 垢 产 物C a C O3、C a3(P O4)2、M g C O3等都是难溶于水的固体产物8-9,并且其溶解度随着温度的升高而降低。结合该换热器的工作环境(换热器管程入口温度为1 3 2、出口温度为1 0 0)可知,由于换热器壳程入口处温度较高,壳程介质结垢速度加快。表1 失效换热管外壁垢层化学成分T a b.1 C h e m i c a l c o m p o s i t i o n o f s c a l e o n o u t e r w a l l o f h e a t e x c h a n g e p i p e元素质量分数/%元素质量分数/%O3 1.5 7C l1.0 5M g0.4 1C a1 1.2 8A l0.2 4M n0.2 7S i0.5 2F e4 9.3