某高壓空冷器翅片管的泄漏原因

文耀華,梁 斌,張伯君,崔 強(qiáng),方學(xué)鋒

(南京市鍋爐壓力容器檢驗(yàn)研究院, 南京 210019)

加氫裂化是油品輕質(zhì)化的重要加工手段之一,高壓空冷器作為加氫裂化裝置的配套換熱設(shè)備,在加氫裂化工藝中發(fā)揮著重要作用[1]。生產(chǎn)過程中,原料油經(jīng)過濾、脫水、換熱后,與加熱的循環(huán)氫混合進(jìn)入加氫裂化反應(yīng)器,加氫反應(yīng)的產(chǎn)物從反應(yīng)器流出,經(jīng)過3～5 臺(tái)高壓換熱器換熱后,溫度降至120～150℃,隨后進(jìn)入高壓空冷器,利用空冷器管束間橫向流動(dòng)的空氣,將冷卻管內(nèi)經(jīng)加氫裂化后的流出物進(jìn)一步冷卻至約50℃,冷凝的油、油氣、氫氣和水一起進(jìn)入高壓分離器[2]。高壓空冷器常處于高壓、臨氫及腐蝕介質(zhì)環(huán)境,工作條件比較苛刻,其失效模式主要是泄漏失效。

1 失效設(shè)備概述

2022年4月27日晚,某公司加氫裂化裝置高壓空冷器中部管束發(fā)生介質(zhì)泄漏。該空冷器于2016年11月投用,設(shè)計(jì)壓力為18.0 MPa,設(shè)計(jì)溫度為171℃,操作壓力為15.0 MPa,操作溫度為120℃(入口)/49℃(出口),工作介質(zhì)主要為烴類、循環(huán)氫、水、硫化氫、氨?？绽淦鞴苁鵀殇X鋼翅片管,基管尺寸為φ25 mm×3.0 mm,材料為10號(hào)鋼。

為查找管束漏點(diǎn),將空冷器拆下后移至壓容廠房進(jìn)行水壓試漏是。結(jié)果發(fā)現(xiàn)入口最上層第一排管束的17號(hào)翅片管斜下方45°處存在漏點(diǎn)。自漏點(diǎn)前后切割長約1 m 的管件作為樣管。內(nèi)窺鏡觀察發(fā)現(xiàn),管內(nèi)壁有結(jié)垢物,尤其是在漏點(diǎn)前后15 cm 處,堵塞嚴(yán)重,直徑約6 mm 的內(nèi)窺鏡探頭無法通過。泄漏點(diǎn)附近樣管內(nèi)部及橫截面形貌如圖1所示。

圖1 泄漏點(diǎn)附近樣管內(nèi)部和橫截面形貌Fig.1 Internal（a）and cross-sectional morphology（b）of the sample tube near the leakage point

將樣管縱向剖開,發(fā)現(xiàn)管內(nèi)壁結(jié)垢嚴(yán)重,垢物呈淺綠色,伴有刺鼻氨味。漏點(diǎn)區(qū)域覆蓋有結(jié)垢物,清除部分結(jié)垢物質(zhì),漏點(diǎn)清晰可見。去除管外壁翅片并進(jìn)一步清除內(nèi)壁結(jié)垢物,在漏點(diǎn)附近觀察到橢圓形減薄的區(qū)域,管壁呈黃褐色,且伴有微小蝕坑,見圖2。

圖2 去除翅片及結(jié)垢物后的樣管內(nèi)壁形貌Fig.2 Morphology of the inner wall of the sample tube after removing of fins and dirt

2 理化檢驗(yàn)與結(jié)果

2.1 化學(xué)成分

依據(jù)GB/T 4336-2016《碳素鋼和中低合金鋼多元素含量的測定火花放電原子發(fā)射光譜法(常規(guī)法)》[3],采用GNR S5 Solaris plus型電火花直讀光譜儀對(duì)樣管進(jìn)行化學(xué)成分分析,測量3點(diǎn)并取平均值,結(jié)果見表1。根據(jù)設(shè)計(jì)文件,該管材執(zhí)行GB 9948-2006《石油裂化用無縫鋼管》標(biāo)準(zhǔn)[4],即樣管材料化學(xué)成分符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

表1 泄漏樣管的化學(xué)成分Tab.1 Chemical composition of the leaking sample tube

2.2 硬 度

依據(jù)GB/T 4340.1-2009《金屬材料 維氏硬度試驗(yàn) 第1部分:試驗(yàn)方法》[5],在泄漏樣管基管試件橫截面上取樣進(jìn)行維氏硬度測試,測量3點(diǎn)后取平均值,其硬度為135 HV。按照GB 9948-2006《石油裂化用無縫鋼管》標(biāo)準(zhǔn),10號(hào)鋼抗拉強(qiáng)度為335～475 MPa,根據(jù)GB/T 1172-1999《黑色金屬硬度及強(qiáng)度換算值》[6],維氏硬度為105～139 HV,即泄漏樣管的硬度符合要求。

2.3 宏觀觀察

去除樣管泄漏點(diǎn)附近的翅片及垢物后,可見泄漏孔形狀不規(guī)則,漏點(diǎn)區(qū)域表面呈黃褐色,腐蝕減薄區(qū)域有微小蝕坑,見圖3。稀草酸清洗后,漏點(diǎn)區(qū)域局部有類似沖刷痕跡但并不光滑,泄漏孔邊緣破碎,管壁減薄嚴(yán)重,但沒有裂紋,腐蝕減薄區(qū)域呈現(xiàn)垢下腐蝕形貌,見圖4。

圖3 樣管漏點(diǎn)及腐蝕減薄區(qū)域的宏觀形貌(清洗前)Fig.3 Macro morphology of leakage point(a)and corrosion thinning area(b)of the sample tube (before cleaning)

圖4 樣管漏點(diǎn)及腐蝕減薄區(qū)域的宏觀形貌(清洗后)Fig.4 Macro morphology of leakage point(a)and corrosion thinning area(b)of the sample tube (after cleaning)

采用千分尺,按照?qǐng)D5所示位置分別對(duì)未明顯腐蝕減薄區(qū)域、腐蝕減薄區(qū)域和漏點(diǎn)區(qū)域的壁厚進(jìn)行測量,結(jié)果見表2?？梢钥闯?受局部腐蝕影響,管壁厚度從未明顯減薄區(qū)域、減薄區(qū)域至泄漏點(diǎn)附近依次減小,測得最薄處壁厚僅1.01 mm。

表2 壁厚測試結(jié)果Tab.2 Wall thickness test results

圖5 泄漏樣管的壁厚測試示意Fig.5 Schematic of wall thickness testing for the leakage sample tube

2.4 微觀觀察

2.4.1 顯微組織

從樣管腐蝕減薄區(qū)域截取試樣,進(jìn)行顯微組織觀察。由圖6可見:試樣顯微組織為鐵素體+珠光體,部分區(qū)域珠光體形態(tài)明顯,但珠光體中層片狀碳化物聚集成球狀,在部分鐵素體晶界,球狀碳化物呈鏈狀分布,顯微組織并非正常的正火組織。依據(jù)GB 9948-2006《石油裂化用無縫鋼管》,10 號(hào)鋼管交貨狀態(tài)應(yīng)為正火狀態(tài),而對(duì)于熱軋鋼管,當(dāng)終軋溫度與正火溫度相符時(shí),可作為正火工藝。顯然,泄漏樣管未經(jīng)過正火處理或者其終軋溫度低于正火溫度。

圖6 泄漏樣管腐蝕減薄區(qū)域的顯微組織Fig.6 Microstructure of the corrosion thinning area of the leakage sample tube

2.4.2 掃描電鏡及能譜分析

對(duì)泄漏樣管內(nèi)壁腐蝕區(qū)域進(jìn)行掃描電鏡(SEM)及能譜(EDS)分析。由圖7和表3可見,內(nèi)壁腐蝕產(chǎn)物中除基體元素Fe外,O、C、S等元素含量較高,它們應(yīng)來源于工作介質(zhì)烴類及硫化氫,但未發(fā)現(xiàn)危害性Cl元素。樣管內(nèi)壁結(jié)垢物中,O、C、S元素含量也較高,見表4,推測結(jié)垢物應(yīng)為鐵的氧化物和硫化物。

表3 樣管內(nèi)壁腐蝕產(chǎn)物的能譜分析結(jié)果Tab.3 EDS analysis results of the corrosion products of the inner wall of the sample tube

表4 結(jié)垢物的能譜分析結(jié)果Tab.4 Energy spectrum analysis results of scale

圖7 樣管內(nèi)壁SEM 形貌Fig.7 SEM morphology at the inner wall of the sample tube

2.5 討 論

空冷器翅片管材的化學(xué)成分及硬度均符合標(biāo)準(zhǔn)要求,顯微組織并非正常的正火組織,這會(huì)影響基管的力學(xué)性能,但這與耐蝕性的相關(guān)性不大。

加氫裂化反應(yīng)流出物冷卻系統(tǒng)最易形成H2+HCl+NH3+H2O 腐蝕環(huán)境和NH3+H2S+H2+H2O 腐蝕環(huán)境,會(huì)發(fā)生氯化銨腐蝕和含硫氫化銨的堿式酸性水腐蝕[7]。氯化銨易結(jié)晶,且溶于水,主要出現(xiàn)在高壓空冷器前面的高壓換熱器上。加氫反應(yīng)產(chǎn)生的硫化氫和氨生成硫氫化銨,硫氫化胺結(jié)晶析出,易出現(xiàn)在高壓空冷器管束內(nèi)壁。因此,常設(shè)置間斷或連續(xù)注水進(jìn)行工藝防腐蝕。

本次翅片管泄漏的直接原因并非沖刷腐蝕,具體原因如下:(1) 泄漏孔附近區(qū)域覆蓋一定厚度的結(jié)垢層,可以阻擋沖刷腐蝕;(2) 較大流速條件下的沖刷腐蝕形態(tài)一般較為光滑且局部均勻,而對(duì)漏點(diǎn)附近區(qū)域進(jìn)行清洗后發(fā)現(xiàn)其宏觀形貌并非如此。

高壓空冷器內(nèi)發(fā)生泄漏的17號(hào)翅片管內(nèi)部結(jié)垢嚴(yán)重,從結(jié)垢物分布及漏點(diǎn)腐蝕區(qū)域形態(tài)可以推斷該翅片管主要發(fā)生了垢下腐蝕[8],局部還存在細(xì)微的沖刷腐蝕。EDS分析結(jié)果顯示,管內(nèi)壁腐蝕產(chǎn)物中不含Cl元素,推測腐蝕主要為含硫氫化銨的堿式酸性水腐蝕。影響堿式酸性水腐蝕的主要因素是硫氫化銨含量和流速,次要因素有p H、氰化物含量和氧含量等[9]。當(dāng)硫氫化銨質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于2%時(shí),介質(zhì)幾乎無腐蝕性,超過2%時(shí),腐蝕性越來越強(qiáng)。根據(jù)使用經(jīng)驗(yàn),介質(zhì)Kp系數(shù)(腐蝕系數(shù))小于0.3,廠方空冷器介質(zhì)流速約為3.6 m/s,一般不會(huì)發(fā)生沖刷腐蝕。但管內(nèi)結(jié)垢物堆積,將引起管內(nèi)局部流場和流速的變化。另外,空冷器入口溫度為120℃,出口溫度為49℃,氣液雙相溫度通常為110～130℃,空冷器第一排管束內(nèi)介質(zhì)為氣液兩相狀態(tài),這些因素都會(huì)加劇結(jié)垢物的分布不均。

綜上,翅片管段泄漏的直接原因是垢下腐蝕。結(jié)垢物堆積引起的管內(nèi)局部流場變化以及流速增大,加劇結(jié)垢物的不均勻分布,導(dǎo)致某些位置垢下腐蝕非常嚴(yán)重,管壁局部異常減薄,當(dāng)其無法承受管內(nèi)壓力時(shí),管壁穿孔,發(fā)生泄漏。

3 結(jié)論和建議

(1) 翅片管基管材料的化學(xué)成分及硬度符合標(biāo)準(zhǔn)要求,但顯微組織并非正常的正火組織。泄漏翅片管內(nèi)部存在大量結(jié)垢物,管壁腐蝕產(chǎn)物中O、C、S等元素含量較高,結(jié)垢物主要為鐵的氧化物和硫化物。翅片管泄漏的直接原因是垢下腐蝕,腐蝕機(jī)理為含硫氫化銨的堿式酸性水腐蝕。管內(nèi)結(jié)垢物分布不均,引起局部流場和流速變化以及介質(zhì)的氣液兩相狀態(tài),加劇結(jié)垢物分布不均,致使某些位置垢下腐蝕極其嚴(yán)重,管壁局部異常減薄,當(dāng)其無法承受管內(nèi)壓力時(shí),管壁穿孔,發(fā)生泄漏。

(2) 建議廠方安排專業(yè)人員定期檢查空冷器注水量、水質(zhì)以及是否有偏流現(xiàn)象,控制介質(zhì)流速,化驗(yàn)分析硫氫化銨質(zhì)量分?jǐn)?shù)或計(jì)算Kp系數(shù),防止發(fā)生硫氫化銨結(jié)垢和堿式酸性水腐蝕。