基于熱應(yīng)力腐蝕原理的換熱器失效分析

閆保秋 才春祥 劉文彬 李俊林 陳 軒 楊劍鋒 陳良超

(1.中國(guó)石油四川有限責(zé)任公司；2.北京化工大學(xué))

基于熱應(yīng)力腐蝕原理的換熱器失效分析

閆保秋*1才春祥1劉文彬2李俊林2陳 軒2楊劍鋒2陳良超2

(1.中國(guó)石油四川有限責(zé)任公司；2.北京化工大學(xué))

通過(guò)對(duì)某廠硫磺回收裝置尾氣加熱器的腐蝕形貌進(jìn)行檢測(cè)，利用超聲波檢測(cè)并結(jié)合生產(chǎn)工藝對(duì)該換熱器發(fā)生失效開(kāi)裂的原因進(jìn)行了分析探討。結(jié)果表明，該換熱器失效的主要原因是熱應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂，因?yàn)檫M(jìn)料溫度急劇升高，從而使得換熱器內(nèi)部穩(wěn)定溫度體系發(fā)生了改變，最終導(dǎo)致?lián)Q熱器發(fā)生熱應(yīng)力開(kāi)裂。

換熱器 熱應(yīng)力 腐蝕 開(kāi)裂

管殼式換熱器由殼體、管束、管板及管箱等組成，在設(shè)計(jì)上往往有結(jié)構(gòu)不連續(xù)處，導(dǎo)致存在一定的溫差應(yīng)力。當(dāng)溫差應(yīng)力較高時(shí)，尤其是在結(jié)構(gòu)不連續(xù)處(應(yīng)力集中處)最易發(fā)生破壞，如殼體的變形、管子與管板之間拉脫，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致材料的斷裂。因此，換熱器在設(shè)計(jì)和運(yùn)行保養(yǎng)時(shí)，要特別注意結(jié)構(gòu)突變處的應(yīng)力消除工作。尤其是高溫?fù)Q熱器，溫差應(yīng)力對(duì)于換熱器的破壞會(huì)更為明顯與直接。目前，國(guó)內(nèi)關(guān)于換熱器腐蝕開(kāi)裂的研究比較多，而對(duì)于熱應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的研究則較少，因此筆者對(duì)熱應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的分析探討具有一定的實(shí)際意義。

1 設(shè)備及腐蝕情況

某廠硫磺回收裝置尾氣加熱器E-305為Ⅱ類壓力容器，其工藝參數(shù)(管程/殼程)為：

介質(zhì) 煙氣/尾氣

設(shè)計(jì)溫度 450/420℃

操作溫度 420/400℃

設(shè)計(jì)壓力 0.35/0.20MPa

操作壓力 0.10/0.05MPa

材料 Q245R/Q245R

在全廠大檢修期間，檢修硫磺回收裝置時(shí)，發(fā)現(xiàn)尾氣加熱器已發(fā)生腐蝕斷裂。分別通過(guò)宏觀檢測(cè)和超聲波對(duì)尾氣加熱器及其附屬管線進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果如下：管線外防腐涂層局部脫落失效，外表面金屬整體腐蝕輕微均勻；尾氣加熱器南側(cè)法蘭焊縫連接處泄漏穿孔(圖1)，長(zhǎng)度約300mm；超聲波檢測(cè)(檢測(cè)點(diǎn)如圖2所示)表明管線和加熱器已經(jīng)發(fā)生了均勻的整體腐蝕，同時(shí)存在明顯的局部腐蝕減薄(圖3)。

圖1 換熱器斷口照片

圖2 超聲波檢測(cè)點(diǎn)示意圖

圖3 管線腐蝕減薄對(duì)比

2 腐蝕分析

2.1介質(zhì)成分

硫磺回收裝置原料為由胺液再生、酸性水汽提等裝置來(lái)的酸性氣，含有H2S(58.98%)、CO2(36.53%)等腐蝕性介質(zhì)，酸性氣進(jìn)燃燒爐后還會(huì)生成SO2等腐蝕性介質(zhì)。在這些介質(zhì)的復(fù)合作用下，硫磺回收裝置中的高溫部位會(huì)形成高溫硫化腐蝕，在低溫部位會(huì)形成濕H2S環(huán)境腐蝕，在含有SO2介質(zhì)的設(shè)備和管道中還有可能發(fā)生硫酸露點(diǎn)腐蝕。

2.2腐蝕機(jī)理

通過(guò)斷口形貌分析和對(duì)該換熱器操作工況的深入了解，初步判斷換熱器失效的主要原因是溫度的劇烈變化導(dǎo)致?lián)Q熱器內(nèi)部體系失衡，溫度應(yīng)力急劇增大，加之其他腐蝕因素的促進(jìn)作用，最終導(dǎo)致了該換熱器腐蝕。

2.2.1熱應(yīng)力腐蝕

目前，學(xué)術(shù)界普遍認(rèn)為管板與管束及殼體連接處存在的熱應(yīng)力，是導(dǎo)致?lián)Q熱器失效的主要因素。先后有學(xué)者從管板(包括與之相連的換熱管與殼體)的溫度場(chǎng)、熱應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行了分析。冷紀(jì)桐提出了“表面熱效應(yīng)”減小，并使管板厚度方向的溫度梯度均勻化的方法[1]。郭崇志和周潔的研究表明,在殼體軸向遠(yuǎn)離管板區(qū)域的熱應(yīng)力分布均勻，在靠近管板處軸向熱應(yīng)力出現(xiàn)較大變化[2]。在管板與殼體連接區(qū)域，沿著從管箱側(cè)到殼程側(cè)的管板厚度方向，應(yīng)力分布從三向壓縮變成三向拉伸。此時(shí)管板軸向高溫?zé)崤蛎浟肯鄬?duì)大于或逐漸趨近于材料的屈服極限。同時(shí)，在高溫工況下，材料的疲勞極限將極大的降低，熱應(yīng)力引起的拉伸應(yīng)力最終導(dǎo)致該換熱器失效、破裂。

2.2.2高溫硫腐蝕

工藝流程表明，酸性氣燃燒后(主要成分為硫化物)應(yīng)通過(guò)該尾氣換熱器。硫化物的物理特性決定了它在高溫環(huán)境下會(huì)對(duì)設(shè)備造成均勻腐蝕，使設(shè)備發(fā)生減薄。而且高溫硫腐蝕會(huì)隨著溫度的升高而加劇。通常溫度越高，介質(zhì)硫含量越大，高溫硫腐蝕的腐蝕速率越大，通常在溫度高于240℃時(shí)，腐蝕會(huì)迅速加劇。

影響高溫硫腐蝕的另外一個(gè)重要因素是流速，流速越大，腐蝕速率越大。

2.2.3SO2+O2+H2O腐蝕環(huán)境

設(shè)備襯里的存在可以有效防止過(guò)程氣的腐蝕。但當(dāng)襯里由于高溫剝落時(shí)，過(guò)程氣會(huì)竄入襯里內(nèi)層，與設(shè)備金屬本體直接接觸，從而導(dǎo)致設(shè)備發(fā)生局部腐蝕。同時(shí)由于SO2易被氧化成SO3,而SO3遇水生成H2SO4蒸汽，而蒸汽狀態(tài)的H2SO4極易造成設(shè)備腐蝕穿孔。

3 結(jié)論及建議

3.1在E-305進(jìn)口處管線上增加一處緩蝕劑注入點(diǎn)，持續(xù)加入緩蝕劑，緩和換熱器內(nèi)部的酸性腐蝕環(huán)境，減輕酸性離子對(duì)管壁和殼體的腐蝕程度。

3.2建議在換熱器入口處增設(shè)高溫報(bào)警器，并安裝電磁安全閥，一旦溫度超過(guò)警戒值，可以及時(shí)進(jìn)行隔斷，確保換熱器的安全。

3.3原換熱器材料為普通碳鋼，建議選擇具有耐高溫性能的不銹鋼材料，如12%Cr(410、410S、405SS)、304SS等材料。條件允許可在管束和殼體內(nèi)表面增涂防腐涂料來(lái)增強(qiáng)耐腐蝕性能。

3.4應(yīng)用北京化工大學(xué)開(kāi)發(fā)的在線腐蝕檢測(cè)系統(tǒng)，可以對(duì)換熱器內(nèi)部的腐蝕情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)(主要通過(guò)內(nèi)部放置的腐蝕探針來(lái)實(shí)現(xiàn))，同時(shí)應(yīng)用RBI理論系統(tǒng)，對(duì)裝置風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)進(jìn)行分類，提前預(yù)警腐蝕風(fēng)險(xiǎn)的發(fā)生，并采取相應(yīng)的措施。

[1] 冷紀(jì)桐. 某固定管板式換熱器的溫度場(chǎng)與熱應(yīng)力分析[J]. 北京化工大學(xué)學(xué)報(bào), 2004, 31(2): 104～107.

[2] 郭崇志，周潔. 固定管板式換熱器的溫差熱應(yīng)力數(shù)值分析[J]. 化工機(jī)械, 2009, 36(1): 41～45.

*閆保秋,男，1963年4月生，工程師。四川省彭州市，611930。

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