凝結(jié)水彎頭穿孔原因及對策

陳 相

(中國石化銷售有限公司華中分公司，湖北 武漢 430014)

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凝結(jié)水彎頭穿孔原因及對策

陳 相

(中國石化銷售有限公司華中分公司，湖北 武漢 430014)

凝結(jié)水 沖蝕 汽水共存 加工硬化

1 穿孔情況

某裝置有三條凝結(jié)水管線，一條主凝結(jié)水線，公稱通徑DN150,匯集溶劑油系統(tǒng)、常壓、精制、分餾穩(wěn)定崗位重沸器凝結(jié)水和各伴熱線凝結(jié)水，另外兩條分別從氣分E4002和穩(wěn)定V1305單獨(dú)引出，公稱通徑DN100和DN50，分別接入鍋爐凝結(jié)水罐V1510。管線復(fù)雜，彎頭眾多，尤其是主凝結(jié)水線(見圖1)。從2005年6月起，彎頭多次穿孔，尤其是圖1中所示A和B兩個(gè)區(qū)域，圖1中所標(biāo)彎頭先后都發(fā)生穿孔。一旦穿孔，由于不能進(jìn)行工藝切出檢修，只好進(jìn)行帶壓堵漏處理，給裝置日常維護(hù)增加了許多費(fèi)用。

圖1 凝結(jié)水流程

2 原因分析

將發(fā)生的穿孔彎頭(公稱通徑DN100)氣割下來(如圖2所示)，可以看出，穿孔發(fā)生在彎頭背部約45°的部位，呈橢圓形，長軸平行于彎頭軸線，穿孔方向由里至外，彎頭內(nèi)壁光滑，尤其是穿孔四周，減薄較多。彎頭肘部內(nèi)壁平行于軸線方向，有許多肉眼可見的深約0.5 mm的延彎頭軸線方向的劃痕。按彎頭測厚分布點(diǎn)(見圖3)用UTM-101H測厚儀進(jìn)行測厚，結(jié)果見表1。

表1 彎頭測厚參數(shù)

圖2 彎頭穿孔尺寸

圖3 彎頭測厚分布點(diǎn)

根據(jù)以上情況，凝結(jié)水彎頭穿孔是一個(gè)漸進(jìn)的過程，彎頭穿孔周圍呈槽、溝、波紋和山谷形，還顯示有方向性[1]，同時(shí)彎頭是管件中的重要組成部分，由于其結(jié)構(gòu)的特殊性，相對于其他部位，更容易遭受流體介質(zhì)的沖刷腐蝕，彎頭的沖蝕磨損比直管部分的磨損大約嚴(yán)重50倍[2]。因此確定彎頭穿孔是由介質(zhì)沖蝕所致，沖蝕又被稱為磨蝕，是由于流體和金屬表面間的相對運(yùn)動(dòng)引起的金屬加速破壞，它與介質(zhì)、流速、金屬或合金的性質(zhì)等因素有關(guān)。

2.1 蒸汽進(jìn)入凝結(jié)水系統(tǒng)

(1)重沸器處不能充分換熱，致使凝結(jié)水中夾帶蒸汽，汽水共存，沖刷彎頭。

圖1A區(qū)典型的屬于此種情況，該段管線凝結(jié)水主要來自E1315,該換熱器為浮頭式換熱器，型號(hào)為TBJS900-2.5-210-6/25-4，主要為汽油分割塔T1305提供熱源，換熱面積210 m3，2003年5月投用。管程介質(zhì)為蒸汽，入口平均溫度285 ℃，檢修前出口溫度平均185 ℃，2006年5月裝置大修，發(fā)現(xiàn)由于制造缺陷，管箱隔板沒有完全壓入隔板槽中， E1315管板隔板槽邊緣沖蝕出一條約4×45°坡口，致使管程蒸汽部分短路，靠近隔板槽一排換熱管焊縫沖蝕，管頭穿孔，換熱器內(nèi)漏。管程短路使汽油分割塔底熱源不夠，蒸汽使用量增大，同時(shí)換熱器長時(shí)間使用后，管束結(jié)垢，換熱效果變差。部分蒸汽沒有冷凝，直接進(jìn)入凝結(jié)水系統(tǒng)。當(dāng)蒸汽與比蒸汽溫度低的凝結(jié)水相遇時(shí)， 會(huì)產(chǎn)生熱沖擊。蒸汽所占的體積比凝結(jié)水要大得多，當(dāng)蒸汽體積突然減小時(shí)，會(huì)向整個(gè)系統(tǒng)放出沖擊波。同時(shí)，凝結(jié)水中夾帶蒸汽，汽水共存，產(chǎn)生大量的氣泡，隨著氣泡的聚集和破裂，在以40 m/s 的速度在管道中傳輸?shù)恼羝苿?dòng)下，破壞任何改變汽流方向的管件，高速流動(dòng)的凝結(jié)水沖鑿金屬表面，對管件，尤其是90°彎頭，造成破壞性的沖蝕。

(2)眾多伴熱線疏水閥失效或被短接，伴熱蒸汽直接進(jìn)入凝結(jié)水系統(tǒng)。

疏水閥的作用是自動(dòng)排放蒸汽管道和設(shè)備中的冷凝水，同時(shí)有效地阻止蒸汽排放。裝置中伴熱線錯(cuò)綜復(fù)雜，根據(jù)伴熱要求，管線上選用的大部分是圓盤式疏水閥，圓盤式疏水閥由于其本身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，使用壽命比較短，失效后蒸汽泄漏嚴(yán)重。同時(shí)由于疏水閥和管線都是采用活套螺紋聯(lián)接，使用時(shí)間較長，螺紋腐蝕損壞，密封失效后，在進(jìn)行檢修時(shí)，由于管線腐蝕減薄，焊接難度大，大多數(shù)情況下是將活接部分的疏水閥取消，用稍大一規(guī)格的無縫鋼管直接連接，致使伴熱系統(tǒng)的蒸汽直接進(jìn)入凝結(jié)水系統(tǒng)中。

2.2 凝結(jié)水pH值過高

為除去鍋爐水中殘存的易結(jié)垢的金屬離子，通常在爐水中加一定量的磷酸三鈉，使其與鈣、鎂離子反應(yīng)，達(dá)到除垢的目的，但當(dāng)加藥不當(dāng)或加藥過多時(shí)，雖然鈣、鎂離子能被除去，但大量的鈉離子溶于水中，導(dǎo)致了鍋爐的pH值上升，當(dāng)pH值超過12，總堿質(zhì)量濃度不小于14 mg/L時(shí)，蒸汽品質(zhì)變差，進(jìn)而造成凝結(jié)水管道的堿性腐蝕。這種腐蝕雖然不是彎頭穿孔的主要原因，但它廣泛地存在于蒸汽系統(tǒng)中，加速了彎頭沖蝕穿孔的形成。

3 改進(jìn)措施及對策

3.1 減少汽水共存現(xiàn)象

大修中對換熱器E1315管束進(jìn)行了高壓清洗，對隔板槽進(jìn)行補(bǔ)焊，對管箱隔板進(jìn)行了堆焊打磨修復(fù)，使隔板與隔板槽通過管箱墊片，良好密封，消除了管程短路現(xiàn)象。在油性變化不大，加工量增大的情況下，日平均蒸汽消耗量明顯下降，同時(shí)管程出口溫度平均降為170 ℃左右(見圖4)。從長遠(yuǎn)利益考慮，可以對換熱器取熱量進(jìn)行衡算，選用合適的疏水閥裝在管程出口，即可以減少直接進(jìn)入凝結(jié)水系統(tǒng)蒸汽量，又可以大幅降低蒸汽消耗量，節(jié)約了能源。

3.2 對凝結(jié)水線易穿孔彎頭進(jìn)行材質(zhì)升級

影響彎頭磨損的因素有介質(zhì)速度、介質(zhì)性質(zhì)、沖刷角度、彎頭材料和幾何尺寸，彎頭抵抗沖蝕的能力和自身材料性能有著密切的關(guān)系。一般來說，原來耐蝕性能較好的材料將會(huì)顯示出較好的耐沖蝕性能，韌性材料的沖蝕磨損主要是由于介質(zhì)沖刷作用下的表面塑性變形、疲勞和介質(zhì)的不斷切割。對易穿孔的碳鋼彎頭(20號(hào)鋼)，材質(zhì)更換為耐蝕性較好的304，20號(hào)鋼和304，機(jī)械性能對比見表2[3]。

圖4 換熱器蒸汽量消耗對比

力學(xué)性能σb/(N·mm-2)σs(σ0.2)/(N·mm-2)δ5,%ψ,%硬度(HB)20號(hào)鋼41024525551563045202054060≤187

由表2可見，304的韌性和抗拉強(qiáng)度優(yōu)于20號(hào)鋼，更為重要的是304屬于奧氏體不銹鋼，具有很強(qiáng)的材料加工硬化的特征，凝結(jié)水對彎頭肘部內(nèi)壁的沖刷，基本是一個(gè)物理的過程，在沖刷的過程中，彎頭內(nèi)壁表面塑性有所下降，強(qiáng)度有所提高，在沖刷集中部位，形成一層光滑而致密的耐磨層，有效提高了彎頭的耐沖蝕性能。在日常維修可更換的穿孔彎頭部位，嘗試使用304彎頭，使用一年時(shí)間，經(jīng)測厚，沖蝕量小于1 mm，取得了不錯(cuò)的效果。

3.3 對伴熱線進(jìn)行改造

由于裝置地處南方，氣溫低于0 ℃的時(shí)間比較少，對不需要的伴熱線進(jìn)行關(guān)停。集中對常用的伴熱線進(jìn)行改造，建立了疏水閥臺(tái)帳，采用使用壽命較長、性能更好的自由浮球式疏水閥，定期進(jìn)行測溫檢查，及時(shí)更換失效的疏水閥，根據(jù)實(shí)際使用情況選用合適的疏水閥，既節(jié)約了蒸汽消耗量，又減少汽水混合物對凝結(jié)水系統(tǒng)的沖蝕。

3.4 事先預(yù)防

在日常設(shè)備維護(hù)工作中，對容易穿孔部位的彎頭加強(qiáng)監(jiān)控，定期進(jìn)行一次測厚，估算出沖蝕減薄率，在減薄到一定程度后，事先在沖蝕部位進(jìn)行焊補(bǔ)，待管線能進(jìn)行工藝切出時(shí)再更換彎頭，減少了帶壓堵漏的發(fā)生。

3.5 強(qiáng)化管理

4 結(jié) 語

在不便于改變管線工藝結(jié)構(gòu)的情況下，通過減少凝結(jié)水系統(tǒng)中汽水共存現(xiàn)象，提高易穿孔彎頭材質(zhì)等級，適當(dāng)增加彎頭壁厚，提高蒸汽品質(zhì)，可以有效延長凝結(jié)水彎頭使用壽命，減少彎頭穿孔現(xiàn)象的發(fā)生。

[1] 周本省.工業(yè)水處理技術(shù)(第2版)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005:81.

[2] 李詩卓，董祥林.材料的沖蝕磨損與微動(dòng)磨損[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1987:1-10.

[3] 徐灝.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(第1卷)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1991:3，27-40.

(編輯 張向陽)

Causes of Fracture of Condensate Water Elbow and Countermeasures

ChenXiang

(ChanglingStationofHuazhongBranchofSINOPECSalesCompany,Wuhan430014,China)

condensate water,impingement erosion,co-existence of water and steam,hardening

2015-09-18；修改稿收到日期：2016-01-05。

陳相，工程師，大學(xué)本科學(xué)歷，1992年畢業(yè)于湖南省機(jī)械工業(yè)學(xué)校機(jī)械制造專業(yè)。現(xiàn)今在該公司長嶺庫站主要從事輸油設(shè)備管理工作。E-mail:13975009200@163.com