堿液加熱器泄漏原因分析及對策

徐先財(cái),杜 濤,劉廣虎,馬保玉

(中國石油天然氣股份有限公司烏魯木齊石化分公司,新疆 烏魯木齊 830019)

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堿液加熱器泄漏原因分析及對策

徐先財(cái),杜 濤,劉廣虎,馬保玉

(中國石油天然氣股份有限公司烏魯木齊石化分公司,新疆 烏魯木齊 830019)

1.20 Mt/a延遲焦化裝置液化氣脫硫醇系統(tǒng)中的堿液加熱器在投入運(yùn)行1 a后就發(fā)生泄漏，并且經(jīng)檢修投用后，短時(shí)間內(nèi)再次發(fā)生泄漏。通過對加熱器的制造工藝、腐蝕部位及特征進(jìn)行分析后，確定泄漏的原因：(1)熱源(250 ℃蒸汽)溫度過高，引起堿腐蝕；(2)制造過程中未對換熱管進(jìn)行應(yīng)力消除處理，加熱器運(yùn)行中發(fā)生水擊，致使換熱器管束存在殘余應(yīng)力。在堿腐蝕和應(yīng)力的共同作用下，發(fā)生應(yīng)力腐蝕泄漏，即“堿脆”。在新管束制造過程中進(jìn)行了應(yīng)力消除熱處理，并對加熱器的熱源進(jìn)行改造，使得加熱器新管束運(yùn)行超過2 a未發(fā)生腐蝕泄漏。

加熱器 堿脆 應(yīng)力 熱源

1 泄漏情況介紹

1.20 Mt/a延遲焦化裝置液化氣脫硫醇采用三級纖維膜洗滌反應(yīng)脫硫醇技術(shù)，其中堿液(脫硫劑)對液化氣進(jìn)行洗滌后，經(jīng)氧化再生后循環(huán)使用。裝置大檢修后開工半年就發(fā)現(xiàn)液化氣脫硫醇系統(tǒng)堿渣量異常增大，判斷堿液加熱器發(fā)生泄漏。切除檢修時(shí)發(fā)現(xiàn)，換熱管內(nèi)有大量鐵銹片，泄漏部位是由內(nèi)向外產(chǎn)生的孔洞，孔洞周圍有細(xì)小裂紋，泄漏點(diǎn)大部分位于加熱器蒸汽入口側(cè)(見圖1至圖3)。對加熱器泄漏的34根換熱管堵管，投運(yùn)2個(gè)月后再次發(fā)生泄漏，檢修發(fā)現(xiàn)換熱管泄漏1根，固定管板焊縫泄漏9處。

圖1 管束內(nèi)有大量鐵銹片

圖2 管束腐蝕開裂

2 流程及設(shè)備簡介

堿液經(jīng)液化氣纖維膜堿洗后，進(jìn)入該加熱器，將堿液由40 ℃加熱至55 ℃左右，然后進(jìn)入氧化再生和反抽提后循環(huán)使用。生產(chǎn)中通過對堿液定期置換，保持系統(tǒng)循環(huán)中NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%。設(shè)計(jì)加熱器的熱源為蒸汽或熱水，但實(shí)際運(yùn)行中由于熱水經(jīng)換熱后不能滿足工藝需求，因此，該加熱器在生產(chǎn)中一直使用蒸汽做熱源。

該換熱器是一臺浮頭式換熱器，管束材質(zhì)為10號鋼，殼體材質(zhì)為Q345R，管板材質(zhì)為16Mn。管程介質(zhì)為堿液，入口溫度為40 ℃，壓力為0.4 MPa；殼程介質(zhì)為蒸汽，溫度為250 ℃，壓力為1.0 MPa。具體參數(shù)見表1。

表1 堿液加熱器(E-303)參數(shù)

3 泄漏原因分析

3.1 應(yīng)力腐蝕破裂

根據(jù)對該加熱器腐蝕換熱介質(zhì)及腐蝕外觀特征初步推斷，導(dǎo)致該加熱器發(fā)生腐蝕開裂應(yīng)該是盛裝堿液設(shè)備常發(fā)生的“堿脆”現(xiàn)象。碳鋼和低合金鋼在苛性NaOH溶液中的應(yīng)力腐蝕破裂多數(shù)認(rèn)為是NaOH催化引起的。其反應(yīng)為：

3Fe+4H2O→ Fe3O4+4H2

反應(yīng)結(jié)果，表面形成四氧化三鐵的保護(hù)膜。此膜受應(yīng)力作用而被破壞，繼而再鈍化使膜修補(bǔ)，當(dāng)這兩方面處于平衡時(shí)，發(fā)生陽極溶解型的應(yīng)力腐蝕破裂[1]，即“堿脆”。碳鋼或合金鋼在NaOH溶液中發(fā)生的應(yīng)力腐蝕，一般要同時(shí)具備高的溫度、高的堿濃度和拉伸應(yīng)力三個(gè)條件。堿腐蝕裂紋可以定義為在存在高溫氫氧化鈉情況下，金屬在拉伸應(yīng)力和腐蝕共同作用下的開裂，裂紋在本質(zhì)上主要是晶間裂紋。引起堿液應(yīng)力腐蝕的拉伸應(yīng)力，可以是外應(yīng)力，也可以是內(nèi)應(yīng)力，或兩者的聯(lián)合作用[2]。腐蝕和應(yīng)力的作用是相互促進(jìn)，二者缺其一，金屬的破壞將變得微不足道[3]。因此，HG20581—1998 《鋼制化工容器材料選用規(guī)定》中規(guī)定“碳鋼及低合金鋼焊制化工容器如焊后或冷加工后，不進(jìn)行消除應(yīng)力熱處理，則盛裝NaOH溶液介質(zhì)的使用溫度不應(yīng)大于表2所列的溫度”。國家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局出版的《壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》(1999年版)中也對堿液引起的應(yīng)力腐蝕做了相關(guān)規(guī)定。

表2 碳鋼在不同濃度NaOH溶液中的使用溫度上限

3.2 原因分析

由表2可知，在NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%的堿液中，碳鋼材質(zhì)使用溫度上限為71 ℃。而1.0 MPa蒸汽溫度在250 ℃，該加熱器在使用溫度超出上限，即發(fā)生堿腐蝕。

查該加熱器設(shè)備總圖，該加熱器的換熱管制作采用高級冷拔工藝，在管束制作中僅對管板處進(jìn)行了消除應(yīng)力熱處理，未對換熱管進(jìn)行消除應(yīng)力熱處理，換熱管存在的殘余應(yīng)力未消除；另外，由于裝置在焦炭塔吹汽、試壓等操作大量使用蒸汽時(shí)引起蒸汽系統(tǒng)的溫度和壓力發(fā)生波動(dòng)，容易造成加熱器發(fā)生水擊，對換熱器管束造成外力作用。根據(jù)API RP571—2003 《影響煉油工業(yè)固定設(shè)備的損傷機(jī)理》，促成裂紋的應(yīng)力可以是因焊接或者冷加工(比如彎曲和成形)而出現(xiàn)的剩余的以及施加的應(yīng)力。由此可知，該加熱器第一次換熱管泄漏是在腐蝕和應(yīng)力的共同作用下，發(fā)生應(yīng)力腐蝕破裂。

該加熱器在檢修投運(yùn)2個(gè)月后再次發(fā)生泄漏，泄漏點(diǎn)主要在固定管板焊縫處。由于加熱器第一次泄漏堵管后，未對焊接部位進(jìn)行消除應(yīng)力熱處理，產(chǎn)生焊接殘余應(yīng)力[4]，從而造成加熱器在短期內(nèi)，再次發(fā)生應(yīng)力腐蝕破裂。

因此，造成該加熱器產(chǎn)生裂紋腐蝕的原因可分為兩個(gè)方面，一是換熱器管束發(fā)生堿腐蝕；二是換熱器存在應(yīng)力，具體有：(1)該加熱器在制造過程中未對換熱器進(jìn)行消除應(yīng)力熱處理；(2)生產(chǎn)中換熱器發(fā)生水擊，對管束造成外力損傷；(3)檢修堵管后未進(jìn)行應(yīng)力消除熱處理。

4 對 策

4.1 應(yīng)力釋放熱處理

新制作管束需對換熱管及管板焊接處進(jìn)行應(yīng)力釋放熱處理。若管束修補(bǔ)，可用電加熱帶對換熱管與管板的焊接接頭作覆蓋加熱，加熱溫度控制在621 ℃左右進(jìn)行熱處理[5]。

4.2 工藝流程改造

該加熱器使用的蒸汽熱源溫度過高，加劇了堿腐蝕；同時(shí)運(yùn)行期間伴有間歇水擊，產(chǎn)生外力損壞，加速腐蝕，因此降低熱源溫度對加熱器長周期運(yùn)行有利。在改造中，將加熱器出口凝結(jié)水倒引至蒸汽入口，停用高溫蒸汽，回收降溫后的凝結(jié)水(見圖4)。

圖4 加熱器流程改造

5 結(jié) 論

該加熱器管束多次泄漏已無法繼續(xù)使用，需更換制作新管束。因此在新管束制造過程中嚴(yán)格按要求換熱管及管板焊接處進(jìn)行應(yīng)力釋放熱處理。對換熱流程改造后，熱源溫度得到了降低，完全能夠滿足工藝需求，同時(shí)避免了換熱器發(fā)生水擊現(xiàn)象，降低了堿腐蝕和應(yīng)力腐蝕。新管束投用后連續(xù)運(yùn)行超過2 a未發(fā)生泄漏。

[1] 中國石化設(shè)備管理協(xié)會(huì).石油化工裝置設(shè)備腐蝕與防護(hù)手冊[M].北京：中國石化出版社,1996：3-8.

[2] 肖暉,李玉軍,馬偉力.堿液應(yīng)力腐蝕裂紋成因及處理[J].中國特種設(shè)備安全，2011，27(2)：44-46.

[3] 陳合成.堿液腐蝕及防護(hù)技術(shù)[J].石油化工腐蝕與防護(hù),2004,21(1):20-24.

[4] 葛斌.設(shè)備應(yīng)力腐蝕的探討及防治[J].輕金屬,2008(12):14-16.

[5] 張述旺,胡香娥,嚴(yán)易明.堿液加熱器泄漏分析[J].石油化工設(shè)備技術(shù),2010,31(4):40-42.

(編輯 張向陽)

Cause Analysis of Lye Heater Leakage and Countermeasures

XuXiancai,DuTao,LiuGuanghu,MaBaoyu

(PetroChinaUrumqiPetrochemicalCompany,Urumqi830019，China)

The leaking occurred in the lye heater in LNG sweetening system of a 1.20 MM TPY delayed coking unit one year after it was put into operation. The leaking occurred again not long after maintenance. It was concluded from the analysis of fabrication process of the heater, corrosion location and corrosion characteristics that the leaking was the results of caustic corrosion due to excessive high temperature of heat source (250 ℃ steam) and the residue stress of heat exchanger tubes because no stress release was performed for the heat exchanger tubes and water hammer occurred heater operation. Under the common effect of caustic corrosion and stress, the stress corrosion leaking i.e. caustic embrittlement occurred. To solve these problems, the new tubes of heater were stress released in the process of fabrication. As the result, the new heater tubes have been operating for over 2 years without corrosion leakages.

heater, alkali embrittlement, stress, heat source

2016-04-08；修改稿收到日期：2016-06-08。

徐先財(cái)(1987-)，2010年畢業(yè)于中國石油大學(xué)(北京)化學(xué)工程與工藝專業(yè)，從事生產(chǎn)工藝技術(shù)管理和安全環(huán)保管理工作。E-mail:xuxcws@petrochina.com.cn