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

（紹興市特種設備檢測院，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。某公司三臺冷凝器在投運6 個半月后換熱管即出現嚴重腐蝕泄漏。冷凝器主要技術參數如下：管程材質為316L (Ф25 mm×1.2 mm)，設計壓力：0.25MPa；最高允許工作壓力：0.145MPa，設計溫度：99.6/95.4℃，工作介質：氧化尾氣；殼程材質為Q345R，設計壓力：0.15MPa；最高允許工作壓力：0.075MPa，設計溫度：106/91.75℃，工作介質：蒸汽凝液和低壓蒸汽。本文通過設備現場勘查、氣密性試驗、內窺鏡觀察、機械性能試驗、管材化學分析、腐蝕產物EDAX 能譜分析，金相檢驗等對泄漏失效原因進行了分析，并提出了相應的對策措施。

1 檢測試驗

1.1 冷凝器工藝結構

冷凝器為臥式U 型換熱管結構，管子管板的連接采用強度焊+貼脹，介質入口管徑DN900 mm，出口管徑DN300 mm，設計參數相同的三臺冷凝器（A、B、C）等間距并排放置，中間的冷凝器介質出口直接接入總排放管，兩邊的冷凝器介質出口與總排放管距離相對較遠。管程氧化尾氣成分主要是N2、醋酸、Br-、水蒸氣、CO、O2等，介質從U 型管下半部進入，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重，并有多處堵管，見圖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

經氣密性試驗(試驗壓力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重。

1.3 內窺鏡檢查

對換熱管進行內窺鏡檢查，發現管內壁附著有大量的腐蝕產物（如圖3a），左右局部存在腐蝕產物堆積，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。管內點蝕嚴重，部分點蝕已穿孔，局部點蝕坑沿介質流方向連成片（如圖3c，圖3d）。對換熱管進行射洗后內窺鏡觀察（如圖3b），表面腐蝕產物、氧化皮脫落，沖洗出的氧化皮見圖4a、圖4b。

1.4 腐蝕產物EDAX 能譜檢測（見圖5）

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

1.5 換熱管化學分析

采用火花放電原子發射光譜法測定換熱管化學分析，結果如表1，316L 材質符合GB/T20123-2006 標準[1]規定。

圖3 換熱管內壁腐蝕形貌

圖4 沖洗出的氧化皮

表1 316L 換熱管化學分析

1.6 換熱管拉伸力學性能試驗

將換熱管加工成管材拉伸試樣，依據ASTM A370-11[2]，三個試樣在19℃下進行室溫拉伸試驗，結果見表2。

材料力學性能符合ASME SA213-316L[3]材料標準的規定。

表2 換熱管拉伸試驗

1.7 換熱管金相檢驗

截取換熱管橫向剖面，經鑲嵌、拋磨和化學侵蝕，清洗風干后，顯微組織如圖6，為正常的奧氏體組織，晶粒度約為5 級。

圖5 腐蝕產物EDAX 能譜分析

2 失效原因分析

2.1 點蝕穿孔、均勻腐蝕沖刷腐蝕

圖6 換熱管顯微組織

管程介質中的氧化尾氣含有一定量的醋酸、Br-、水蒸氣，尤其是剛啟動運行時，尾氣系統運行不穩，大量的Br-和醋酸進入冷凝器，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Br-活性較強，強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，小陽極大陰極，產生點蝕，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，溴離子進入，HBr 形成，pH 值下降，孔蝕加劇[4]。同時醋酸在含還原性介質Br-的環境下，加劇了對換熱管的均勻溶解腐蝕。實驗證明[5]，常溫下的含Br-醋酸溶液會使316L管子在幾個月爛穿，溫度上升，點蝕和均勻腐蝕加速。同時，由于腐蝕產物與基體金屬密度不同，在熱脹冷縮、介質流機械沖刷及設備運行振動的作用下部分氧化皮與換熱管剝離，產生局部氧化皮脫落、堆積，增大了介質流動阻力，甚至造成堵管。氧化皮脫落后，介質流與裸露的金屬表面再次發生反應，加速了換熱管的腐蝕。

2.2 工藝結構及排布

冷凝器采用臥式U 型換熱管結構，管程長達20 多米，U 型管彎曲處換熱管介質流動阻力增大，易導致還原性介質在換熱管表面聚積，增大點蝕幾率。管程介質入口封頭處未設置導流板，且彎管部分的曲率半徑不同，介質進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荷大，從而出現了如圖1 的管程介質進口下部換熱管腐蝕情況較上部嚴重。

三臺冷凝器并排排放，中間冷凝器管程輸出尾氣直接排入總排放管，相比兩側的冷凝器，中間冷凝器管程輸出阻力最小，工作負荷最大，腐蝕情況較兩側冷凝器嚴重。

3 結論與建議

（1）加強對反應尾氣成分的監測，尤其是HAc、Br-、H2O 含量的監測，及時發現尾氣異常并查找問題環節，避免腐蝕進一步發展。

（2）增強高壓吸收塔運行的平穩性，工藝操作人員嚴格按工藝要求運行，增強對Br-和醋酸等腐蝕介質的吸收。

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

（4）采用立式列管式換熱冷凝器，增強管程介質流動性，在介質入口處設置導流板促進均勻進氣，平均化換熱管工作負荷。

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

[1] GB/T20123-2006, 鋼鐵 總碳硫含量的測定 高頻感應爐燃燒后紅外吸收法(常規方法) [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 氧化設備腐蝕失效分析[J].腐蝕科學與防護技術,2005,17(4):283-285.

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