板式空冷器的腐蝕失效分析

李貴軍，單廣斌

(中國石化青島安全工程研究院，山東青島 266101)

板式換熱器是一種傳熱效率高、占地面積小、安裝使用方便、質(zhì)量輕、污垢系數(shù)低以及結(jié)構(gòu)緊湊的換熱設(shè)備。由于本身結(jié)構(gòu)的局限性，可拆卸式板式換熱器的使用壓力不超過2.5 MPa，使用溫度不超過250 ℃，密封性差，因此不適用于易燃易爆的石油化工領(lǐng)域，但在二十世紀八十年代全焊接板式換熱器研發(fā)成功以來，煉油和石油化工領(lǐng)域板式換熱器的應(yīng)用逐漸增加[1]。由于具有傳熱效率高、壓降小、結(jié)構(gòu)緊湊節(jié)省占地面積等優(yōu)點，我國近年來的大型煉油化工裝置全焊接板式換熱器的使用也逐漸增加，特別是用作塔頂空冷器[2]，高效節(jié)能，具有空冷節(jié)水效果好、環(huán)境污染小的特點，又有板式換熱器傳熱效率高、流通面積大的特點。由于煉油裝置原料腐蝕性介質(zhì)含量逐漸增加，板式空冷器板片薄，且焊接質(zhì)量要求高等一些因素影響，部分企業(yè)的板式空冷器使用中出現(xiàn)了腐蝕泄漏和裂紋[3]，影響了裝置的安全運行。對板式空冷器的失效進行分析，找出失效原因，提出改進措施，有利于板式空冷器的安全使用和煉化裝置的長周期運行[4,5]。

1 板式空冷器的基本情況

某石化公司常減壓裝置于2008年建成投產(chǎn)，年加工高硫原油1 200×104t/a，采用初餾塔-常壓塔-減壓塔蒸餾工藝，設(shè)有輕烴回收系統(tǒng)，回收常頂氣中的輕烴組分。常頂氣經(jīng)壓縮后與常頂石腦油混合換熱后進入穩(wěn)定塔進行分餾，穩(wěn)定塔頂物料使用板式濕空冷器進行冷卻，介質(zhì)為液化氣，操作壓力為微負壓，管程操作壓力0.31 MPa。表1為空冷器的基本參數(shù)，表2為空冷器介質(zhì)情況。

表1 空冷器的基本情況

2 開裂加熱管的試驗分析

2.1 腐蝕環(huán)境分析

穩(wěn)定塔頂空冷器管程介質(zhì)液化氣和少量不凝氣，從表2的分析數(shù)據(jù)來看，絕大部分為丙烷和丁烷，還有少量硫化氫、CO2等，氯化氫未檢出?？绽淦鞴艹谈g性雜質(zhì)主要包括硫化氫和CO2；空冷器外噴軟化水，密閉循環(huán)使用，板束外壁腐蝕性雜質(zhì)主要是工業(yè)大氣中的微量腐蝕性氣體。

表2 常頂瓦斯氣組成 %

2.2 宏觀形貌和化學成分分析

板片內(nèi)部腐蝕開裂形貌見圖1、圖2和圖3，可以看出，腐蝕開裂發(fā)生在板片沖壓變形轉(zhuǎn)角部位，也是電阻焊焊接的邊緣部位。板片沒有明顯的腐蝕減薄，裂紋沿板厚度發(fā)展方向與板片呈72°發(fā)展，沒有明顯的宏觀塑性變形。進行板片鐵素體含量分析，測試結(jié)果見表3，鐵素體含量平均為35.2%。

圖1 板片的內(nèi)部腐蝕和開裂情況

2.3 斷口的電子顯微分析

對裂紋斷口取樣進行腐蝕坑形貌電子顯微觀察和EDX檢測分析，圖4為斷口電子顯微照片，EDX分析結(jié)果見表4。可以看出，斷口上有韌窩空洞存在，微區(qū)成分表明硫含量高達3.5%，表明有硫化物腐蝕產(chǎn)物。

圖2 板片的內(nèi)部腐蝕和邊緣開裂情況

圖3 板片裂紋情況

表3 板片鐵素體含量 %

圖4 斷口表面EDX分析

表4 斷口表面EDX分析結(jié)果 %

2.4 金相組織分析

采用SCT-147金相顯微鏡進行金相組織觀察和分析，顯微照片見圖5和圖6，從圖5可以看出，焊接熱影響區(qū)很小(0.12 mm左右)，裂紋起源于焊縫板束內(nèi)部，沿焊縫長度和母材厚度方向發(fā)展，有二次裂紋。由圖6可以看出，母材組織細小致密，組織為鐵素體加奧氏體；焊縫區(qū)晶粒組織比母材粗。由圖7焊接區(qū)的金相組織可以看出，焊接接頭金相組織以鐵素體為主，奧氏體含量少于30%。板片材料的化學成分分析結(jié)果見表5，由表中可以看出，材料化學成分符合GB3280-2015中規(guī)定。硬度檢測結(jié)果見表6，可以看出，局部硬度高于HRC30，說明有脆性相析出。

圖5 裂紋部位材料的金相組織

圖6 焊接接頭和母材的金相組織(左上方為焊接區(qū))

圖7 焊接接頭部位的金相組織

表5 板片化學成分分析結(jié)果 %

表6 硬度檢測結(jié)果(HRC)

3 分析和討論

該企業(yè)1 000×104t/a常減壓裝置加工高硫原油，常頂氣中硫化氫含量超過10 000 μmol/mol，穩(wěn)定塔頂板式空冷器管程物料——穩(wěn)定塔頂氣中硫化氫含量更高，穩(wěn)定塔頂氣中腐蝕性雜質(zhì)主要是硫化氫和二氧化碳，氯含量很少，EDX分析硫含量達到3.5%，硫化氫腐蝕是主要因素。硫化氫分壓達到0.016 MPa以上，對材料存在均勻腐蝕和硫化氫環(huán)境氫致開裂和應(yīng)力腐蝕開裂風險?？绽淦鬟M出口管線均為碳鋼，檢測發(fā)現(xiàn)管線腐蝕減薄很輕。板束內(nèi)基本沒有垢物，板片沒有明顯的腐蝕減薄，說明板片的腐蝕與濕硫化氫環(huán)境的應(yīng)力腐蝕有關(guān)，制造過程和運行中引起的應(yīng)力起推動作用。由表5板片材料的化學成分分析結(jié)果可以看出，材料化學成分符合GB3280-2015中規(guī)定。一般來說，板片材料2205耐硫化氫環(huán)境均勻腐蝕和應(yīng)力腐蝕性能較好，但根據(jù)NACE MR0103-2015《Materials Resistant to Sulfide Stress Cracking inCorrosive Petroleum Refining Environments》，2205用于煉油工業(yè)濕硫化氫環(huán)境，硬度不應(yīng)超過HRC28，穩(wěn)定塔頂板式換熱器焊接接頭區(qū)域局部硬度已遠超過此值，導致局部濕硫化氫環(huán)境氫致開裂和應(yīng)力腐蝕敏感性增加，同時，板片沖壓部位存在殘余應(yīng)力，在焊縫邊緣部位存在介質(zhì)濃縮和應(yīng)力集中，引起板片的開裂。

4 結(jié)論

板式換熱器的腐蝕開裂是由于焊縫部位鐵素體含量偏高和脆性相析出，引起硬度偏高和抗?jié)窳蚧瘹洵h(huán)境氫致開裂性能下降，導致在高濃度濕硫化氫環(huán)境腐蝕開裂引起的，沖壓殘余應(yīng)力和工作應(yīng)力，結(jié)構(gòu)縫隙引起的應(yīng)力集中，導致局部裂紋起源。

為了做好板式空冷器的防腐蝕，保障裝置的安全運行，建議做如下防腐蝕改進。

a)優(yōu)化電阻焊接工藝，控制好焊接部位的組織，降低硫化氫環(huán)境開裂敏感性。

b)裝置運行中保持工藝參數(shù)的平穩(wěn)，防止操作溫度、操作壓力和負荷等的過快大幅度波動，防止裝置超溫超壓超負荷，引起設(shè)備縫隙應(yīng)力集中部位發(fā)生過大變形甚至產(chǎn)生裂紋。

c)裝置運行中做好軟化水的化驗分析，保證腐蝕性雜質(zhì)含量不超過工藝指標。

d)建議板片更新時材質(zhì)考慮采用316L，以提高材料韌性水平，降低焊接難度。