PTA裝置塔頂冷凝器U型316L換熱管腐蝕失效分析

陳仙鳳 趙星波 沈健 顏豪

（紹興市特種設(shè)備檢測(cè)院，浙江紹興 312071）

PTA 裝置中的脫水塔塔頂冷凝器主要用于冷卻溶劑脫水塔中含有醋酸甲酯的蒸汽。某公司三臺(tái)冷凝器在投運(yùn)6 個(gè)半月后換熱管即出現(xiàn)嚴(yán)重腐蝕泄漏。冷凝器主要技術(shù)參數(shù)如下：管程材質(zhì)為316L (Ф25 mm×1.2 mm)，設(shè)計(jì)壓力：0.25MPa；最高允許工作壓力：0.145MPa，設(shè)計(jì)溫度：99.6/95.4℃，工作介質(zhì)：氧化尾氣；殼程材質(zhì)為Q345R，設(shè)計(jì)壓力：0.15MPa；最高允許工作壓力：0.075MPa，設(shè)計(jì)溫度：106/91.75℃，工作介質(zhì)：蒸汽凝液和低壓蒸汽。本文通過(guò)設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)勘查、氣密性試驗(yàn)、內(nèi)窺鏡觀察、機(jī)械性能試驗(yàn)、管材化學(xué)分析、腐蝕產(chǎn)物EDAX 能譜分析，金相檢驗(yàn)等對(duì)泄漏失效原因進(jìn)行了分析，并提出了相應(yīng)的對(duì)策措施。

1 檢測(cè)試驗(yàn)

1.1 冷凝器工藝結(jié)構(gòu)

冷凝器為臥式U 型換熱管結(jié)構(gòu)，管子管板的連接采用強(qiáng)度焊+貼脹，介質(zhì)入口管徑DN900 mm，出口管徑DN300 mm，設(shè)計(jì)參數(shù)相同的三臺(tái)冷凝器（A、B、C）等間距并排放置，中間的冷凝器介質(zhì)出口直接接入總排放管，兩邊的冷凝器介質(zhì)出口與總排放管距離相對(duì)較遠(yuǎn)。管程氧化尾氣成分主要是N2、醋酸、Br-、水蒸氣、CO、O2等，介質(zhì)從U 型管下半部進(jìn)入，冷卻后從上半部排出，入口處換熱管及管板腐蝕情況較出口處嚴(yán)重，并有多處堵管，見(jiàn)圖1、圖2。

圖1 冷凝器入口下半部換熱管及管板

圖2 冷凝器入口上半部換熱管及管板

1.2 氣密性檢驗(yàn)

經(jīng)氣密性試驗(yàn)(試驗(yàn)壓力0.25MPa)，冷凝器A、B、C 分別有22 根、208 根、36 根換熱管泄漏，中間冷凝器泄漏最為嚴(yán)重。

1.3 內(nèi)窺鏡檢查

對(duì)換熱管進(jìn)行內(nèi)窺鏡檢查，發(fā)現(xiàn)管內(nèi)壁附著有大量的腐蝕產(chǎn)物（如圖3a），左右局部存在腐蝕產(chǎn)物堆積，表面顏色為黃褐色或磚紅色，表層下呈黑色，部分氧化皮漂浮在凝液中。管內(nèi)點(diǎn)蝕嚴(yán)重，部分點(diǎn)蝕已穿孔，局部點(diǎn)蝕坑沿介質(zhì)流方向連成片（如圖3c，圖3d）。對(duì)換熱管進(jìn)行射洗后內(nèi)窺鏡觀察（如圖3b），表面腐蝕產(chǎn)物、氧化皮脫落，沖洗出的氧化皮見(jiàn)圖4a、圖4b。

1.4 腐蝕產(chǎn)物EDAX 能譜檢測(cè)（見(jiàn)圖5）

從能譜檢測(cè)、氧化物的形態(tài)、顏色分析，腐蝕產(chǎn)物主要是Fe、Cr、Mn、Ni 等的氧化物。

1.5 換熱管化學(xué)分析

采用火花放電原子發(fā)射光譜法測(cè)定換熱管化學(xué)分析，結(jié)果如表1，316L 材質(zhì)符合GB/T20123-2006 標(biāo)準(zhǔn)[1]規(guī)定。

圖3 換熱管內(nèi)壁腐蝕形貌

圖4 沖洗出的氧化皮

表1 316L 換熱管化學(xué)分析

1.6 換熱管拉伸力學(xué)性能試驗(yàn)

將換熱管加工成管材拉伸試樣，依據(jù)ASTM A370-11[2]，三個(gè)試樣在19℃下進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表2。

材料力學(xué)性能符合ASME SA213-316L[3]材料標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。

表2 換熱管拉伸試驗(yàn)

1.7 換熱管金相檢驗(yàn)

截取換熱管橫向剖面，經(jīng)鑲嵌、拋磨和化學(xué)侵蝕，清洗風(fēng)干后，顯微組織如圖6，為正常的奧氏體組織，晶粒度約為5 級(jí)。

圖5 腐蝕產(chǎn)物EDAX 能譜分析

2 失效原因分析

2.1 點(diǎn)蝕穿孔、均勻腐蝕沖刷腐蝕

圖6 換熱管顯微組織

管程介質(zhì)中的氧化尾氣含有一定量的醋酸、Br-、水蒸氣，尤其是剛啟動(dòng)運(yùn)行時(shí)，尾氣系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)，大量的Br-和醋酸進(jìn)入冷凝器，冷凝器工作溫度較低，Br-和醋酸凝成液滴，逐漸濃縮，還原性介質(zhì)Br-活性較強(qiáng)，強(qiáng)烈地吸附在換熱管表面，破壞鈍化膜，與其他部位存在電位差，小陽(yáng)極大陰極，產(chǎn)生點(diǎn)蝕，蝕孔形成后，換熱管在蝕孔中自催化溶解，為維持蝕孔中的電中性，溴離子進(jìn)入，HBr 形成，pH 值下降，孔蝕加劇[4]。同時(shí)醋酸在含還原性介質(zhì)Br-的環(huán)境下，加劇了對(duì)換熱管的均勻溶解腐蝕。實(shí)驗(yàn)證明[5]，常溫下的含Br-醋酸溶液會(huì)使316L管子在幾個(gè)月?tīng)€穿，溫度上升，點(diǎn)蝕和均勻腐蝕加速。同時(shí)，由于腐蝕產(chǎn)物與基體金屬密度不同，在熱脹冷縮、介質(zhì)流機(jī)械沖刷及設(shè)備運(yùn)行振動(dòng)的作用下部分氧化皮與換熱管剝離，產(chǎn)生局部氧化皮脫落、堆積，增大了介質(zhì)流動(dòng)阻力，甚至造成堵管。氧化皮脫落后，介質(zhì)流與裸露的金屬表面再次發(fā)生反應(yīng)，加速了換熱管的腐蝕。

2.2 工藝結(jié)構(gòu)及排布

冷凝器采用臥式U 型換熱管結(jié)構(gòu)，管程長(zhǎng)達(dá)20 多米，U 型管彎曲處換熱管介質(zhì)流動(dòng)阻力增大，易導(dǎo)致還原性介質(zhì)在換熱管表面聚積，增大點(diǎn)蝕幾率。管程介質(zhì)入口封頭處未設(shè)置導(dǎo)流板，且彎管部分的曲率半徑不同，介質(zhì)進(jìn)入受的阻力隨著曲率半徑的減小而增大，管程流速不均勻，曲率半徑大的換熱管工作負(fù)荷大，從而出現(xiàn)了如圖1 的管程介質(zhì)進(jìn)口下部換熱管腐蝕情況較上部嚴(yán)重。

三臺(tái)冷凝器并排排放，中間冷凝器管程輸出尾氣直接排入總排放管，相比兩側(cè)的冷凝器，中間冷凝器管程輸出阻力最小，工作負(fù)荷最大，腐蝕情況較兩側(cè)冷凝器嚴(yán)重。

3 結(jié)論與建議

（1）加強(qiáng)對(duì)反應(yīng)尾氣成分的監(jiān)測(cè)，尤其是HAc、Br-、H2O 含量的監(jiān)測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)尾氣異常并查找問(wèn)題環(huán)節(jié)，避免腐蝕進(jìn)一步發(fā)展。

（2）增強(qiáng)高壓吸收塔運(yùn)行的平穩(wěn)性，工藝操作人員嚴(yán)格按工藝要求運(yùn)行，增強(qiáng)對(duì)Br-和醋酸等腐蝕介質(zhì)的吸收。

（3）優(yōu)化換熱管材質(zhì)，選用雙相不銹鋼或性能更優(yōu)的鈦材換熱管，提高換熱管腐蝕電位，增強(qiáng)抗點(diǎn)蝕和整體耐腐蝕性能。

（4）采用立式列管式換熱冷凝器，增強(qiáng)管程介質(zhì)流動(dòng)性，在介質(zhì)入口處設(shè)置導(dǎo)流板促進(jìn)均勻進(jìn)氣，平均化換熱管工作負(fù)荷。

（5）冷凝器采用以集中排放管為中心的Y 形排布，均勻管程介質(zhì)輸出阻力，從而避免三個(gè)冷凝器工作負(fù)荷不均勻的情況。

[1] GB/T20123-2006, 鋼鐵 總碳硫含量的測(cè)定 高頻感應(yīng)爐燃燒后紅外吸收法(常規(guī)方法) [S].

[2] ASTM A370-11,Standard test methods and definitions for mechanical testing of steel products [S].

[3] ASME SA213/SA-213M, Specification for seamless ferritic and Austenitic alloy-steel boiler, superheater, and heat-exchanger tubes [S].

[4] 李明等.PTA 氧化設(shè)備腐蝕失效分析[J].腐蝕科學(xué)與防護(hù)技術(shù),2005,17(4):283-285.

[5] 余存燁.PTA 裝置的選材、腐蝕與防護(hù)[J].石油化工腐蝕與防護(hù),2001,18(1):8.