換熱器氯離子應(yīng)力腐蝕開裂調(diào)查防護研究

王德州，劉增溫，楊建杰

（棗莊杰富意振興化工有限公司，山東 棗莊277000）

0 引 言

山東棗莊杰富意振興化工有限公司建有一套焦油蒸餾裝置，以煤焦油為原料進行深加工，采用世界先進的工藝技術(shù)和設(shè)備裝置，生產(chǎn)經(jīng)營輕油、脫酚酚油、粗酚、工業(yè)萘、洗油、改制瀝青、炭黑油等一系列的煤化工產(chǎn)品。該焦油蒸餾裝置是目前國內(nèi)最大的單套煤焦油深加工裝置。

近期，焦油蒸餾裝置區(qū)連續(xù)進行了2次檢修，發(fā)現(xiàn)軟水冷卻器殼程和管程均發(fā)生了竄漏情況，致使2臺冷卻器管束報廢，造成了較大的經(jīng)濟損失。

經(jīng)研究分析，當(dāng)溫度和氯離子共同作用時，滿足了氯離子應(yīng)力腐蝕開裂所需要的條件，產(chǎn)生了大量自外表面向內(nèi)擴展的裂紋，最終導(dǎo)致了換熱器中的換熱管氯離子應(yīng)力腐蝕開裂的事故。

結(jié)合本公司對換熱器氯離子應(yīng)力腐蝕開裂產(chǎn)生的研究分析、采取的技術(shù)改造以及實施改造后的效果，為同類別化工企業(yè)應(yīng)對換熱器氯離子腐蝕提供了技術(shù)參考與借鑒。

1 氯離子應(yīng)力腐蝕概念

氯離子基于其半徑小、穿透能力強的特點，能優(yōu)先地選擇吸附在鈍化膜上，把氧原子排擠掉，然后和鈍化膜中的陽離子結(jié)合成可溶性的氯化物，在新露出的基底金屬的特定點上生成小蝕坑，從而造成了對設(shè)備的腐蝕。

2 工藝流程

以換熱器為研究對象，其管程介質(zhì)為冷凝液，使用殼程介質(zhì)循環(huán)水對冷凝液進行降溫，冷凝液溫度從90～100℃降至80℃，循環(huán)水溫度由27℃置換到＞75℃。

工藝流程如圖1所示。

圖1 工藝流程Fig.1 Process flow

3 換熱器腐蝕現(xiàn)狀分析

換熱器腐蝕情況如圖2所示。

圖2 換熱器腐蝕情況Fig.2 Corrosion condition of heat exchanger

由圖2可以看出如下內(nèi)容。

（1）換熱管沿縱向開裂，裂口處無明顯塑性變形，壁厚無明顯減薄，裂口處斷面與換熱管周邊約呈90°角，為典型脆性裂口，明顯具有應(yīng)力腐蝕開裂的特征。（2）管束經(jīng)壓力試驗發(fā)現(xiàn)，泄漏點均為上半部分。（3）管束表面粘扶循環(huán)水雜質(zhì)較多，換熱管表面結(jié)垢，殼程內(nèi)表面腐蝕有深坑（碳鋼材質(zhì)腐蝕較為嚴(yán)重）。

4 工藝與設(shè)備方面的調(diào)整

對換熱器分別在工藝和設(shè)備方面進行了調(diào)整。

4.1 工藝方面

通過優(yōu)化工藝的操作流程，使循環(huán)水充滿殼程的汽相空間，從而避免了因氯離子的聚集對設(shè)備造成的腐蝕。

4.2 設(shè)備方面

脹管區(qū)的換熱管不僅因脹接而減薄，同時還作用著內(nèi)壓力、焊接殘余應(yīng)力、脹接壓緊力和熱應(yīng)力等。這些作用力在疊加之后超過某一應(yīng)力值時，就會發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂。同時，換熱管的不銹鋼材質(zhì)（0Cr18Ni10Ti）屬于氯離子應(yīng)力腐蝕開裂的敏感材料。

通過制作、更換不銹鋼（0Cr18Ni10Ti）管束，并定期使用高壓水進行清洗，去除了管束表面的水垢。

5 換熱器優(yōu)化調(diào)整后的運行情況

管束泄漏情況如圖3所示。

圖3 管束泄漏情況Fig.3 Leakage condition of tube bundle

對換熱器進行了改造，備用設(shè)備投用后，運行時間不到3個月，竄漏情況再次發(fā)生。

6 針對循環(huán)水水溫和水質(zhì)進行研究分析

國標(biāo)GB-T50050-2017對循環(huán)水作為冷卻水的使用條件如下。

（1）材質(zhì)為碳鋼、不銹鋼的換熱設(shè)備，管程介質(zhì)為水，氯離子濃度≤1 000 mg/L。（2）材質(zhì)為不銹鋼的換熱設(shè)備，殼程介質(zhì)為水，冷卻水的出水溫度＜45℃，氯離子濃度≤700 mg/L。

水樣種類為冷卻水，取樣地點為循環(huán)水系統(tǒng)，循環(huán)水水質(zhì)的檢驗結(jié)果見表1。

表1 循環(huán)水水質(zhì)的檢驗結(jié)果Table 1 Test results of circulating water quality

由表1可以看出：在現(xiàn)有工藝條件下，循環(huán)水氯離子含量為623 mg/L，循環(huán)水中的氯離子符合國標(biāo)要求，但換熱器殼側(cè)循環(huán)水出水溫度基本＞75℃，達不到國標(biāo)要求，明顯存在因溫度高而產(chǎn)生結(jié)垢和腐蝕問題。結(jié)垢后，氯離子易富集，更加劇了氯離子的腐蝕問題。

為了使循環(huán)水不生成水垢，重新計算了換熱面積（降低換熱面積），將循環(huán)水的溫度管控在＜45℃，同時，增加冷凝液進出口的旁通，將進口冷凝水回流，降低換熱器中循環(huán)水的溫度，從而提高冷凝液的溫度。

7 優(yōu)化改造后的運行情況

依據(jù)實驗結(jié)果對設(shè)備進行優(yōu)化改造，投用后，至今未發(fā)現(xiàn)竄漏情況。本次改造徹底解決了換熱器中氯離子應(yīng)力腐蝕的問題，改造效果良好。

8 結(jié) 語

通過對換熱器氯離子應(yīng)力腐蝕開裂情況的調(diào)查和研究，消除了此類換熱器因氯離子的腐蝕泄露而產(chǎn)生的安全隱患，對生產(chǎn)工藝裝置的穩(wěn)定運行具有重要意義，既保證了生產(chǎn)的連續(xù)性和穩(wěn)定性，又降低了設(shè)備的維護費用。同時，也為同類型的化工企業(yè)在應(yīng)對換熱器氯離子應(yīng)力腐蝕開裂問題方面提供了技術(shù)方面的參考與借鑒，確保了此類換熱器的正常穩(wěn)定運行，保障了工藝裝置的安全可靠生產(chǎn)，從而為企業(yè)創(chuàng)造了更大的效益。