苯胺冷凝器換熱管泄露失效原因分析及對策

楊明濤梁 鵬楊云雨胡 平

（1.中國石化集團南京化學工業有限公司 南京 210048)

(2.南京市鍋爐壓力容器檢驗研究院 南京 210002）

苯胺冷凝器換熱管泄露失效原因分析及對策

楊明濤1梁 鵬2楊云雨2胡 平2

（1.中國石化集團南京化學工業有限公司 南京 210048)

(2.南京市鍋爐壓力容器檢驗研究院 南京 210002）

針對苯化工裝置冷凝器換熱管早期失效的問題展開討論，提出造成腐蝕穿孔的幾種原因，闡述造成腐蝕的原理。結合實際，提出改變結構形狀，進行防腐處理，改善循環水質等措施，避免泄漏的發生。

垢下腐蝕； 穿孔； 循環水

某廠苯化工部年產10萬t苯胺裝置在累積運行約520天后，苯胺冷凝器有91根換熱管發生泄漏，失效的苯胺冷凝器導致苯胺裝置非計劃停工。為了避免此類事故再次發生，本文對苯胺冷凝器失效原因進行了分析并給出改進措施[1]。

1 概述

某化工廠苯化工部苯胺冷凝器（位號E-2204B）于2010年5月投入使用，2011年12月在使用過程中出現大面積泄漏，及時采用堵管措施仍不能消除泄漏，后對該設備本體解剖發現換熱管管束存在大量腐蝕穿孔現象[2]。

苯胺冷凝器結構為固定板管殼式換熱器，由上管箱、殼體、管板、換熱管、工藝接管等部件組成。其技術參數見表1。

表1 苯胺冷凝器主要技術參數

2 檢查

2.1 宏觀檢查

經檢查，苯胺冷凝器上下管板及其換熱管內部完好，沒有明顯的減薄現象，換熱管與管板的焊縫表面光滑完好如初。堵管主要集中在冷卻水和苯胺的進口側。在冷凝器殼層，在筒體與隔板、換熱管的空腔與縫隙間堵塞了大量的淤泥狀沉積物，換熱管上有大量的垢層，部分換熱管外部局部區域有隆起的小鼓包（見圖1）。清除換熱管外表面的垢層后，觀察管外表面的宏觀形貌，換熱管外表面銹蝕較為嚴重，粘附較多白色和深褐色腐蝕產物。絕大部分管外壁呈現坑坑洼洼，坑洞大小不同，深淺不一，穿透管壁的孔洞隱藏在垢層下（見圖2）。

圖1 未清洗的換熱管束

圖2 割下后清洗過的換熱管

2.2 取樣管及部分腐蝕產物分析

● 2.2.1 掃描電鏡觀察分析

管子表面及斷口邊緣上粘附物有的呈顆粒狀，有的呈現出“泥紋狀”花樣，見圖3和圖4。這種“泥紋狀”花樣類似于金屬材料在特定環境中發生應力腐蝕的特征形貌。

爆破的斷裂斷口基本上被腐蝕產物所覆蓋，經過清洗后有的部位還能觀察到斷口形貌，在掃描電鏡1000×以上觀察，1#換熱管爆破的斷裂斷口沿晶裂紋（二次裂紋）斷口形貌比較清晰，沿晶斷裂的晶面還存在微孔和“雞爪狀”形貌。

圖3 2#換熱管表面“泥紋狀”腐蝕產物形貌

圖4 3#換熱管表面“泥紋狀”腐蝕產物形貌

● 2.2.2 能譜分析

3#換熱管表面沉積物和“泥紋狀”腐蝕產物經過能譜分析，結果見圖5。

圖5 3#換熱管爆破口斷裂面沉積物能譜分析結果

● 2.2.3 金相組織分析

2#和3#換熱管局部爆破口附近橫向截面被磨制成金相樣品進行宏觀和顯微金相組織分析。從2#和3# 換熱管橫截面的金相磨制面可以看出，換熱管壁截面外圓局部有局部減薄現象，內圓形狀還較完整，說明換熱管的腐蝕是由外向內局部逐漸減薄，(見圖6)。

在金相顯微鏡100×下測量，2#換熱管減薄剩余管截面為1.14mm（圖6箭頭1）所指處。3#換熱管減薄剩余管截面分別為0.173mm（圖6箭頭2）和0.136mm（圖6箭頭3）。

在金相顯微鏡200×觀察，2#和3#換熱管外圓局部減薄部位金相組織均存在沿晶裂紋，管截面中間部位金相組織為鐵素體+珠光體，(見圖7)。

圖6 2#和3#換熱管爆破口附近橫截面局部減薄宏觀形貌

圖7 2#和3#換熱管管截面金相組織

● 2.2.4 力學性能

1#換熱管經過力學性能測試結果見表2。

表2 1#換熱管力學性能測試結果

● 2.2.5 化學成分分析

選擇1#換熱管進行化學成分分析，分析數據見表3。換熱管的化學成分符合GB/T8162中規定的GB/ T699中20鋼技術要求。

表3 1#換熱管化學成分分析結果

3 失效原因分析

宏觀檢查得知：該設備腐蝕嚴重的地方集中在循環水流動較差處，此處易造成大顆粒物質以及鈣、鎂、硫酸根等離子的富集濃縮并最終形成垢層，但垢層表面疏松，且多間歇、孔洞及裂紋，不能對管壁形成保護屏障，最終造成碳鋼管孔蝕。2#和3#換熱管管壁的金相組織中存在沿晶裂紋，且由外向內逐漸被減薄，并被沉積物所覆蓋，推測此部位可能與沉積物中存在使其產生腐蝕介質有關。

換熱管的化學成分、力學性能分析結果均符合GB/T8162《結構鋼用無縫鋼管》標準中20#鋼技術要求，其金相組織形態也相符。能譜分析結果表明，1#、2#、3#換熱管外表面黃、白色沉積物中含有O、Na、Mg、Al、Si、P、S、Ca、Zn、Fe元素。換熱管管壁部位的金相組織中存在沿晶裂紋可能與沉積物中存在上述元素使其產生腐蝕介質有關。分析得出：Fe是20鋼基體元素，Zn元素的存在可能換熱管為鍍鋅（Zn）管或者環境中存在的Zn附著在管子的表面，而O、Na、Mg、Al、Si、P、S、Ca含量均較高應為使用環境中存在的元素[3]。

4 結論

苯胺冷凝器失效與材料、介質、溫度、壓力無關。換熱管的穿孔泄漏是冷卻水的腐蝕引起的。該冷凝器使用的冷卻水通過離心泵壓至30m高的位置時流速變慢以及循環濃縮后，含有較多的懸浮于水中的物質。而其中的鈣化合物的溶解度隨著溫度的升高而降低，從水中析出在外管壁表面形成沉積物或硬垢。這些物質由于換熱管的表面不平整會在管外壁沉積吸附，換熱管原始外表面粗糙不平整、不清潔促進了成垢；同時氧去極化腐蝕使碳鋼中的鐵成為鐵銹也附著在管壁上，這些沉積物質便形成垢層，部分成為垢層縫隙和垢層隆起。垢下腐蝕的產生是因為在0.1～0.3mm寬的縫隙內存有的液體不能流動，使縫隙內的氧消耗后難以得到補充遂成為缺氧區。缺氧區域的傳熱管壁是陽極，而其余沒有垢層的管壁或垢層與管壁間隙較大處的管壁則因為有飽和氧而成為陰極，發生氧的還原反應。縫隙內外構成了宏觀的氧濃差電池。大陰極小陽極的組合提供了腐蝕過程向金屬深處快速推進的條件。另外，如果冷卻水中有硫酸根離子存在，則為保持縫隙內溶液的電中性，硫酸根離子會遷移到縫隙中，引起縫隙中溶液進一步酸化，成為氧濃差電池腐蝕(閉塞電池)的自催化過程，使縫隙腐蝕加劇直至穿孔。

5 對策

對于苯胺裝置苯胺冷凝器，主要是防止局部腐蝕，尤其是垢下腐蝕提出以下建議[4]：

1）應會同原設計，對苯胺裝置的工藝參數進行復核。在不影響冷卻效果和改變外形尺寸的情況下，減少換熱面積，增大換熱管間距以此達到增大循環水流道。增加循環水在冷凝器的流動速度，在供水管道增

Analysis on Leakage Causes of Aniline Condenser Heat Exchanger Tube and Countermeasures

Yang MingTao1Liang Peng2Yang YunYu2Hu Ping2
(1.SINOPEC Nanjing Chemical Industries Co., Ltd Nanjing 210048)
(2.Nanjing Boiler & Pressure Vessel Supervision and Inspection Institute Nanjing 210002)

Focusing on the problem of the failure at early period of condenser heat exchanger tube of benzene chemical plant installations, puts forward several causes of corrosion perforation, and expounds the theory of corrosion. Integrating theory with practice puts forward countermeasures, such as changing the structure and shape, using preservative treatment, improving recycled-water, etc. so as to try to avoid leakage.

Corrosion scales； Puncture； Circulating water

X928.3

B

：1673－257X(2014)05－37－03

楊清明（1978-），男，本科，工程師，從事承壓類特種設備管理。

2013－11－26）