裂解氣后冷器管束開裂泄漏原因分析

陳德山

(福建聯(lián)合石油化工有限公司，福建 泉州 362800)

2018年12月25日，某公司0.99 Mt/a乙烯裝置停工大修后開工不到48 h，裂解氣壓縮機(jī)四段后冷器(E20204AM/BM)便發(fā)生泄漏，隨著運(yùn)行時(shí)間的延長，其泄漏有所增加。經(jīng)分析，堿致開裂是E20204AM/BM開裂泄漏的根本原因。另外制造缺陷及長期的超負(fù)荷運(yùn)行，也不同程度影響了其使用壽命。

1 設(shè)備概況及運(yùn)行狀況

1.1 設(shè)備概況

(1)E20204AM/BM由原E20204A/B改造而成,殼體利舊、管束更新。管束由四管程改為兩管程，換熱管排列形式由正方形排列改成轉(zhuǎn)角正方形排列，換熱面積由1 189.4 m2增加到1 514 m2。該后冷器屬于浮頭式換熱器，殼程為裂解氣，管程為循環(huán)水。其主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 后冷器主要技術(shù)參數(shù)

(2)2018年2月之前，該公司乙烯裝置曾多次因E20204AM/BM腐蝕泄漏而被迫臨時(shí)停工搶修。經(jīng)分析，長期低流速運(yùn)行以及系統(tǒng)帶病運(yùn)行造成惡性循環(huán)，是導(dǎo)致?lián)Q熱管腐蝕穿孔的主要原因[1]。2018年2月停工搶修期間更換了E20204AM/BM管束，同時(shí)也提高了循環(huán)水流速。E20204AM/BM管束腐蝕的問題得到了緩解。

(3)2018年12月25日，乙烯裝置停工大修后開工不到48 h， E20204AM/BM管束再次發(fā)生泄漏，經(jīng)分析，換熱器的泄漏與停工期間氣相化學(xué)清洗方案落實(shí)不到位，換熱管外表面高溫堿濃縮有關(guān)。

1.2 運(yùn)行及檢修狀況

(1)2018年2月17日，E20204AM/BM新管束投用。自投用運(yùn)行到2018年11月大修，每天監(jiān)測(cè)循環(huán)水回水側(cè)水質(zhì)，未發(fā)現(xiàn)異常。

(2)2018年11月1日，乙烯裝置開始停車。11月3日至4日對(duì)K20201壓縮機(jī)系統(tǒng)(包含后冷器E20204AM/BM)進(jìn)行氣相化學(xué)清洗。

(3)2018年11月14日，氣相清洗完成后交出檢修，11月25日完成E20204AM/BM的查漏堵漏, 兩臺(tái)換熱器均發(fā)現(xiàn)明顯泄漏，其中AM 堵管79根、BM堵管115根。12月15日管束安裝復(fù)位完畢，水壓試驗(yàn)合格。

(4)2018年11月23日，乙烯裝置檢修后投入正常運(yùn)行。裝置運(yùn)行約48 h后, E20204AM/BM再次發(fā)生泄漏。隨著運(yùn)行時(shí)間的延長，其泄漏更加嚴(yán)重。為避免氣阻，循環(huán)水出口管線上增設(shè)了排氣管線。

2 腐蝕調(diào)查

2.1 宏觀檢查

(1)2018年大修期間，該公司對(duì)烯烴裝置所有的關(guān)鍵水冷器進(jìn)行了腐蝕檢查。通過宏觀檢查可以看出，E20204AM/BM換熱器管束、管板側(cè)無明顯腐蝕，角焊縫成型良好，可以排除角焊縫焊接缺陷導(dǎo)致開裂泄漏的可能性。目測(cè)檢查換熱管內(nèi)外，未發(fā)現(xiàn)明顯腐蝕，但換熱管內(nèi)涂層有局部破損。

(2)2018年大修期間，E20204AM/BM換熱器清洗后試壓過程中發(fā)現(xiàn)管束明顯泄漏，其中AM 堵管79根、BM堵管115根(見圖1和圖2)。從試壓堵漏的情況看，換熱管泄漏呈不規(guī)則分布，可以推斷不存在機(jī)械損傷導(dǎo)致穿孔的可能性。

圖1 E20204AM堵管狀況

圖2 E20204BM堵管狀況

2.2 循環(huán)水水質(zhì)監(jiān)測(cè)

(1)為了避免循環(huán)水泄漏導(dǎo)致的惡性循環(huán)，自2018年2月，該公司委托專業(yè)的水處理公司每天對(duì)烯烴裝置關(guān)鍵水冷器循環(huán)水回水實(shí)施水質(zhì)監(jiān)測(cè)，E20204AM/BM出口側(cè)的循環(huán)水水質(zhì)一直處于監(jiān)測(cè)合格范圍內(nèi)。

(2)自2018年2月17日投用至2018年11月，換熱器出口側(cè)水樣未發(fā)現(xiàn)有異味，濁度及鐵含量未出現(xiàn)明顯的波動(dòng)，鐵含量的變化趨勢(shì)見圖3。從監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)可以排除該換熱器停工檢修前，因循環(huán)水水質(zhì)導(dǎo)致的腐蝕泄漏。

圖3 E20204AM/BM鐵質(zhì)量濃度變化

2.3 工藝操作

(1)經(jīng)查，E20204AM/BM工藝介質(zhì)側(cè)正常操作壓力1.956 MPa，設(shè)計(jì)壓力2.2 MPa。

(2)2018年8月7日，E20204AM/BM瞬間操作壓力2.239 MPa，超過了設(shè)計(jì)壓力；2018年2月至11月，E20204AM/BM工藝介質(zhì)側(cè)運(yùn)行壓力平均2.05 MPa，超過了設(shè)計(jì)的正常操作壓力，基本維持在正常操作壓力之上運(yùn)行(見圖4)。

圖4 E20204AM/BM操作壓力變化趨勢(shì)

3 泄漏原因分析

3.1 氣相清洗導(dǎo)致堿脆

(1)氣相化學(xué)清洗方案描述不夠清晰，現(xiàn)場實(shí)際實(shí)施與清洗方案不完全一致。氣相化學(xué)清洗方案上所描述的現(xiàn)場公用工程條件，就近指定接入點(diǎn)為中壓蒸汽，而從監(jiān)測(cè)溫度看，實(shí)際E20204的清洗使用的是蒸煮蒸汽。

(2)日常操作及氣相清洗可將少量的堿帶入E20204 AM/BM工藝側(cè)。一方面日常生產(chǎn)過程中堿洗塔的堿會(huì)少量帶入E20204AM/BM；另一方面，大修期間，由于氣相清洗過程中使用的是蒸煮蒸汽，蒸煮蒸汽含有大量的液態(tài)水，液態(tài)水會(huì)將堿洗塔的堿帶入系統(tǒng)清洗的E20204AM/BM。

(3)高溫堿濃縮并導(dǎo)致堿脆。碳鋼在堿液中的應(yīng)力腐蝕開裂又稱為“堿脆”。堿液的濃度與溫度決定了開裂的敏感性，溫度越高、濃度越大，其應(yīng)力開裂的敏感性越高[2]。碳鋼在堿液中受應(yīng)力作用的腐蝕開裂趨向如圖5所示。實(shí)際上，對(duì)于50%堿液，碳鋼的應(yīng)力腐蝕在50 ℃以上時(shí)就會(huì)發(fā)生。若沸騰的堿液，只要質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)5%，在極短的時(shí)間就可以導(dǎo)致碳鋼管發(fā)生堿脆開裂。換熱器在氣相清洗前系統(tǒng)引入蒸煮蒸汽，由于蒸汽的高溫作用，導(dǎo)致?lián)Q熱器內(nèi)堿液急劇濃縮，堿致開裂的敏感性迅速提升，換熱管短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)典型的網(wǎng)狀細(xì)小裂紋，開工后由于應(yīng)力的變化使得裂紋擴(kuò)展，導(dǎo)致泄漏。

圖5 碳鋼發(fā)生堿脆的介質(zhì)條件

綜上所述，堿致開裂是導(dǎo)致E20204AM/BM泄漏的根本原因。

3.2 涂層質(zhì)量差導(dǎo)致腐蝕加劇

(1)E20204AM/BM為北方某換熱器制造廠生產(chǎn)，換熱管內(nèi)涂層外委專業(yè)公司施工。該公司2017年和2018年生產(chǎn)的換熱器在烯烴裝置共有15臺(tái)，2018年大修期間，發(fā)現(xiàn)6臺(tái)存在泄漏問題。

(2)E20204AM/BM換熱器管束安裝前只進(jìn)行了宏觀檢查，換熱管內(nèi)是否存在局部涂層破損，無法準(zhǔn)確判斷。2018年大修期間，換熱器管束安裝前宏觀檢查發(fā)現(xiàn)，已有部分換熱管涂層發(fā)生局部破損。管束涂層局部破損導(dǎo)致?lián)Q熱管腐蝕加快。

(3)氣相清洗也可導(dǎo)致涂層直接損壞。換熱管涂層耐持續(xù)高溫性能差，氣相清洗的高溫蒸汽可加劇涂層老化與破損，給長周期運(yùn)行帶來隱患。

3.3 換熱器超壓運(yùn)行影響使用壽命

(1)設(shè)計(jì)文件要求E20204AM/BM工藝介質(zhì)側(cè)正常操作壓力1.956 MPa，設(shè)計(jì)壓力2.2 MPa。

(2)經(jīng)查實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，2018年8月7日E20204AM/BM的瞬間操作壓力2.239 MPa，超過設(shè)計(jì)壓力，同時(shí)2018年2月至11月,E20204AM/BM工藝介質(zhì)側(cè)運(yùn)行壓力平均2.05 MPa，超過了正常操作壓力。

(3)E20204AM/BM設(shè)計(jì)余量較小，設(shè)備長期處于滿負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)，影響了設(shè)備壽命。

3.4 微裂紋缺陷擴(kuò)展導(dǎo)致泄漏

換熱管氣相清洗時(shí)產(chǎn)生的網(wǎng)狀細(xì)小裂紋尚未穿透，水壓試驗(yàn)時(shí)尚未發(fā)生泄漏，開工后由于應(yīng)力的變化，導(dǎo)致進(jìn)一步開裂且不斷擴(kuò)展，從而導(dǎo)致管束泄漏。

4 改進(jìn)措施及建議

4.1 臨時(shí)措施

(1)在段間換熱器E20204AM/BM循環(huán)水出口管線上增設(shè)了臨時(shí)排氣管線，排放泄漏進(jìn)水側(cè)的裂解氣至火炬系統(tǒng)，避免氣阻。

(2)采購管束備用，擇期更換。

(3)每天對(duì)E20204AM/BM循環(huán)水回水線進(jìn)行排氣檢查。

4.2 長期措施

(1)采用合適的化學(xué)清洗方案，避免化學(xué)清洗帶來的設(shè)備損傷。

(2)加強(qiáng)對(duì)換熱器涂層質(zhì)量的檢查驗(yàn)收。對(duì)于重點(diǎn)換熱器，安裝前采用內(nèi)窺鏡進(jìn)行檢查，確保涂層質(zhì)量合格。

(3)嚴(yán)格執(zhí)行維修策略。換熱器管束、管板有涂層的，原則上不使用高溫化學(xué)清洗與蒸汽吹掃。如果必須使用蒸汽吹掃，則要間斷進(jìn)行，控制管程溫度小于120 ℃，避免溫度過高損傷涂層。

(4)嚴(yán)格工藝紀(jì)律，杜絕換熱設(shè)備超壓、超溫運(yùn)行。

(5)評(píng)估材質(zhì)升級(jí)的可能性及經(jīng)濟(jì)性。

5 結(jié) 語

堿致開裂是乙烯裂解氣壓縮機(jī)四段后冷器E20204AM/BM再次泄漏的根本原因。設(shè)計(jì)缺陷、制造缺陷、長期的超負(fù)荷運(yùn)行，也影響了其使用壽命。