某绕管式原料气冷却器泄漏失效原因分析及改进措施_陈水莲.pdf

Construction&DesignForProject工程建设与设计1引言绕管式换热器是一种换热管以螺旋状交替缠绕在管板间中心筒上的换热器，具有结构紧凑、可同时进行多种介质换热、换热管可自行补偿、换热易实现大型化等特点，是目前煤化工低温甲醇洗装置的重要大型换热设备1。文献2曾报道陕西渭化的原料气冷却器发生裂纹，导致泄漏而停车56 d。由此表明：对于煤化工企业而言，保证绕管式换热器的长周期稳定运行具有重大的实际意义。某化工厂低温甲醇洗装置的一台绕管式换热器原料气冷却器I在运行过程中出现换热管泄漏问题导致停车。通过现场实地查看发现，与下管板胀接处的换热管大部分产生了鼓泡（内凹）现象。使用内窥镜对换热管进行观察，发现壳程侧下管板以上换热管光亮，除个别换热管上焊渣飞物外，未发生鼓泡现象，壳程侧的换热管无明显变形，鼓泡的区域基本处在下管板中；管箱N3A、N3B处换热管内凹严重及出现漏液现象，其他管箱N7A、N7B、N7C、N7D和N5A、N5B的换热管有内凹但不严重，没有漏液。2基本结构及主要参数该设备为壳程单股流与管程3股流组成的绕管式换热器，传热面积为2 288m2，安装形式为立式。其主要参数如下：壳程直径2 600 mm，切线长度L=8 950mm，壳程壳体材质为S31603，壳体壁厚78 mm；换热管规格为19 mm1.3 mm的焊接管，每程换热管的长度分别为13 500 mm、15 500 mm、20 500 mm，换热管材质为S31603；上下管板材质为S31603IV锻件，厚度约400 mm；换热管与管板的连接方式为贴胀+强度焊；设备净重122.18 t，其中管束重69 t。详细工艺设计参数如表1所示。3可能的泄漏原因分析3.1应力腐蚀应力腐蚀的发生一般需要3个必要条件：一定的腐蚀环境，H+和拉应力。H2S气体在水中的溶解度很大，它的电化学腐蚀发生过程如下：在湿H2S环境中，H+得到电子成为氢原【作者简介】陈水莲（1988），女，湖南长沙人，工程师，从事压力容器设计与研究。某绕管式原料气冷却器泄漏失效原因分析及改进措施Analysis of Leakage Failure Cause and Improvement Measures ofa Coiled Raw Gas Cooler陈水莲（华陆工程科技有限责任公司，西安 710065）CHEN Shui-lian(HualuEngineering&TechnologyCo.Ltd.,Xi an710065,China)【摘要】结合由换热器管板胀接部位换热管引起的泄漏失效问题，从换热管选材、换热管与管板的连接结构等方面，简要分析了某化工厂绕管式换热器泄漏导致停车事故的原因，并从应力腐蚀反应机理出发，探讨了在应力腐蚀环境下换热管的选材、设备设计以及制造过程中的质量控制，以减少换热管腐蚀失效的发生。【A b s t r a c t】Accordingtotheleakagefailurecausedbytheheatexchangetubeattheexpansionjointofthetubeplateoftheheatexchanger,thecauses of the shutdown accident caused by the leakage of the tube heat exchanger in a chemical plant are briefly analyzed from the aspects ofmaterial selection of the heat exchange tube and the connection structure between the heat exchange tube and the tube plate.Based on themechanismofstresscorrosionreaction,itdiscussesthematerialselection,equipmentdesignandqualitycontrolofheat exchange tube in stresscorrosionenvironment,soastoreducethecorrosionfailureofheatexchangetube.【关键词】绕管式换热器；应力腐蚀；贴胀；泄漏【K e y w o r d s】tubularheatexchanger;stresscorrosion;stickswelling;leak【中图分类号】TQ051.5【文献标志码】B【文章编号】1007-9467（2023）06-0082-03【DOI】10.13616/ki.gcjsysj.2023.06.22782IndustrialEngineeringDesign工业工程设计子，氢原子渗入钢的内部，在有缺陷处聚集，导致钢的脆性增加，在外加拉应力或残余应力作用下引起裂纹，即所谓的硫化氢应力腐蚀。H2S应力腐蚀比较容易发生在硬度较高的区域，例如，中高强度钢中或者焊缝及其热影响区等。对于不锈钢，氢原子固溶于晶格中，当氢的浓度达到很高，出现脆性氢化物或晶界因氢饱和出现内压起裂，在不锈钢中出现氢致马氏体而脆裂时，随着裂纹的出现，裂间应力和应力集中会促进金属中的氢往裂尖聚集，从而产生氢致裂纹，应力腐蚀就会顺利发展。同时，当扩散的氢原子在裂纹较短或者晶格空隙等处的聚集氢分子引起体积膨胀，产生极大的内压力，引起鼓包，当包内压力继续增大，鼓包直径和高度增加，直至最后破裂。根据现场查阅原料气冷却器I的工艺条件，其壳程介质原料气中有水和H2S存在，当工艺气中的水大量冷凝，即给H2S腐蚀开裂提供了电离溶解环境，按设备管口方位图，壳程N1方位为90，壳程N2方位为270，管箱N3A和N4A方位为0，管箱N3B和N4B方位为180，排液口A3为285，壳程中间有一支中心筒，如图1所示。图 1设备管口方位图原料气冷却后析出的水和H2S正好被中间支撑管挡在管箱N3A和N3B处，H2S浓度会比其他处聚集得快，因此，管箱N3A和N3B处换热管内凹严重及出现漏液。查阅制造厂竣工资料，在换热器质量检验计划表中没有提供换热管的先焊接后胀接程序，导致壳程介质容易进入换热管和管板间隙，积聚的介质中会形成湿H2S，浓度会随着时间累积而变浓，湿H2S会对换热管产生应力腐蚀。3.2结冰导致的鼓包该设备使用温度低，最低设计温度为-70，在低温+湿H2S腐蚀的情况下，当换热管和管板间隙中的水在某种操作工况下，由于冰冻结冰，导致换热管膨胀鼓包变形，也是可能的原因之一。3.3换热管与管板的连接接头分析3.3.1换热管与管板的连接形式胀接形式按胀紧度可分为贴胀和强度胀。贴胀是为消除换热管与管壁孔之间缝隙的轻度胀接，可以消除缝隙腐蚀和提高焊缝的抗疲劳性能。目前，常用的胀接方法主要有机械胀、液压胀、爆炸胀等。机械胀接的方法为非均匀性胀接，机械滚珠在碾轧过程中使管径扩大，产生较大的冷作硬化应力，因此机械胀接不适用于有应力腐蚀的场合。此外，胀接前，应在试胀工艺试板上进行试胀，验证制定的换热管与管板孔的连接结构的合理性，同时检验胀接部位的外观质量及换热管接头的密封性能，确定合适的胀管率，最终制定出合理的胀接工艺。胀管率的计算公式如下：H=d2-d1-d1100%（1）式中，d1为是胀管前内径；d2为胀管后的管内径；为胀前管孔直径与换热管外径之差。胀管率应在0.9%2.2%选取，当胀管率0.9%为欠胀，换热管胀后未产生足够的塑性变形，不能保证胀接质量；当胀管率2.2%为过胀，管子胀后产生过大的塑性变形，易产生加工硬化现象。3.3.2失效设备的换热管规格及管板管孔问题该设备的换热管规格为19 mm1.3 mm的焊接管，质量证明书只有两种长度规格（13 800 mm和15 800 mm），少了20 500 mm长度的规格。换热管整体数量为3 972根，但在质量证明书中为1 396根。焊接管在焊接过程中会受热析出铁素体，铁素体为枝晶状或者长条状，铁素体相在奥氏体相中属有害相，它的存在会降低钢的耐腐蚀性，尤其是耐点蚀的能力；此外，焊接管的焊缝及其热影响区易形成敏化区，其抗腐蚀能力将大大下降，在表 1原料气冷却器 I 设计参数程数设计压力/MPa工作压力/MPa设计温度/工作温度（进/出）/工作介质主要受压元件材料16.85.53-10.6/6040/15.4原料气S3160316.85.32-45/602/30净化气S3160310.60.346-60/652/30CO2S3160310.20.081-70/652/30尾气S31603项目程别壳程管程 I管程 II管程 III83Construction&DesignForProject工程建设与设计浓度高的H2S环境下，发生硫化氢应力腐蚀的倾向更高。为 了 避 免 钢 种 产 生 敏 化 区 及 析 出 过 量 铁 素 体，GB/T245932018锅炉和热交换器用奥氏体不锈钢焊接钢管中明确规定了奥氏体型不锈钢换热器管交货状态为固溶处理4。制造厂采购的焊接钢管缺乏相关部分质量证明书，因此，无法确保换热管在生产过程中的热处理工艺是否严格执行标准。换热管的壁厚仅1.3mm，在制造过程中换热管减薄、变形或存在强制安装而没有采取相应措施来释放应力，换热器在壳程压力下抗失稳能力大大降低，会造成换热管在最薄弱处或变形处失稳。本项目使用的原料气冷却器的换热管和管板的连接方式为贴胀+强度胀。制造厂针对胀接问题进行了答复，换热管进行了胀接，但没有过程记录。本台设备换热管的壁厚仅为1.3 mm，管板厚度约400 mm，换热管的贴胀质量难以保证。胀接过程中，随着技术工人水平的高低而出现合格、过胀和欠胀。工程上，欠胀可能会出现缝隙一边大一边小的现象，相比较而言，欠胀比不胀更危险，过胀则容易导致应力集中。奥氏体不锈钢换热管过胀，冷变形强化，形成形变马氏体组织，马氏体的存在使得换热管的强度、硬度升高，残余应力增大，导致其应力腐蚀敏感性增加。4设计中的几点改进和加工制造过程的关键问题4.1材料选择应力腐蚀开裂三要素即材料、介质、拉应力。例如，在换热器等角落部位的流动较少，介质容易在换热管与管板间隙渗入、累积，形成浓度差，若H2S、水等在此积聚，浓度越高，应力腐蚀开裂得更快。文献3指出304奥氏体不锈钢在H2S+Cl-+CO2+H2O介质环境下的酸性介质环境中有较高的应力腐蚀开裂倾向，在饱和H2S+3.5%NaCl+饱和CO2+H2O环 境 下，304奥 氏 体 不 锈 钢 的 应 力 腐 蚀 敏 感 性 最 高；在H2S+Cl-+CO2+H2O酸性介质环境中，H2S对304奥氏体不锈钢的应力腐蚀开裂起促进作用，304奥氏体不锈钢的应力腐蚀敏感性随H2S浓度的升高而增大。因此，在湿H2S腐蚀环境中的换热管应优先选用含稳定化元素的不锈钢，如321不锈钢或者低碳型不锈钢等。对于换热管，应优先选用无缝钢管。对于应力腐蚀工况，焊接管的焊缝质量和最终热处理状态难以保证，因此，材料给应力腐蚀开裂提供了可能性。4.2加工制造过程的几个关键问题1）检验。制造前，应对管材、板材、锻件等进行复验，特别是厚管板锻件。对于用于应力腐蚀环境的焊接换热管，对焊接管焊缝成分进行检测，确保不含有害组织。2）冷作硬化。不锈钢换热管冷加工成型后，进行固溶化处理，以消除形变马氏体，降低材料硬度，从而减缓应力腐蚀的进程。焊接时，选用超低碳焊材，降低焊缝的应力腐蚀敏感性。3）加工精度。严格控制管孔的加工精度，避免管孔的纵向划痕，并保证管孔尺寸的精度。4）贴胀+强度焊。针对在应力腐蚀环境下服役的换热管，在加工制造过程中，应采用贴胀+强度焊的连接形式，以消除间隙腐蚀；正式胀接前，对换热管逐根进行水压试验，清洗换热管端部，清除锈蚀、油污等；采用液压胀接方式，使换热管受力均匀，同时采用合适的胀接率，避免欠胀和过胀的发生。5结语本换热器发生泄漏既有介质的原因，也有设备材料和加工制造的原因，从设备设计和制造角度，建议改进措施如下。1