酸性水汽提裝置冷凝器泄漏原因分析及對策

蔣 越

(中國石化上海石油化工股份有限公司煉油部，上海 200540)

酸性水汽提裝置是煉油工業中的配套裝置，用于處理各煉油加工裝置產生的酸性水，是非常重要的環保裝置。隨著國家、地方政府以及企業不斷提高環保排放要求，酸性水汽提裝置的重要性愈發突出。該裝置的腐蝕性介質和腐蝕分布覆蓋全流程，各類設備受到不同程度的腐蝕[1]。此外，原油劣質化給環保裝置帶來的壓力越來越大，酸性水汽提裝置腐蝕與防護的相關問題已越來越受到重視。

某煉油廠酸性水汽提裝置的三級冷凝冷卻器泄漏故障頻發，不僅導致設備失效，影響生產裝置安全穩定運行；同時，由于冷卻介質為循環水，泄漏發生后受污染的循環水將腐蝕性介質帶到循環水場，給其他用水設備造成循環水側腐蝕隱患。因此，為確保裝置正常生產，避免因三級冷凝冷卻器故障帶來的各種不利影響，找出其故障原因并采取相應的對策措施顯得尤為重要。

1 裝置工藝概況

某煉油廠的酸性水汽提裝置生產能力為130 t/h，于2012年11月建成投產。裝置主要處理來自上游裝置的含硫氨酸性水，原料經處理后，得到氨、硫化氫濃度很低的凈化水，同時獲得副產品——液氨和酸性氣。裝置采用單塔加壓側線抽出工藝，利用氨、硫化氫溶解度不同，塔底部分凈化水作為汽提蒸汽加熱升溫，使酸性水中的氨、硫化氫水解變為“游離態”分子形式，最后轉入氣相而脫除。塔頂打入部分冷進料吸收酸性氣中的氨，在塔中部形成氨的富集區。汽提塔塔頂得到硫化氫為主的酸性氣，作為硫磺回收裝置的原料；側線抽出富氨氣，經進一步冷凝、精制、壓縮后得到液氨；塔底得到凈化水進行進一步處理。

富氨氣經側線抽出后，需要經過三級分凝系統，具體流程如圖1所示。此次進行故障原因分析的是三級冷凝冷卻器(以下簡稱為冷凝器)。

圖1 側線三級分凝流程示意

2 設備運行情況

2.1 設備基本概況

冷凝器為浮頭式換熱器，型號為BJS1000-2.5-3406/19-4I，設備具體參數見表1。殼程介質為富氨氣，主要成分為氨氣、水、少量硫化氫及油等。在冷凝器中與循環水進行熱交換降溫后，部分氣相介質冷凝成液相，兩相流一起進入分凝器進行氣液分離。

表1 三級冷凝器基本參數

2.2 設備泄漏情況

冷凝器于2012年11月26日投用。在裝置第一周期運行中，于2016年3月發生內漏，檢修時經試壓捉漏共堵管17根，泄漏管子中的14根均集中在管束從底部往上數的4排內。在2016年8月裝置停車大修期間，冷凝器更換新管束，材質由10#碳鋼升級為304L不銹鋼。

在2016年9月裝置開車后的第二周期運行中，分別于2017年11月、2018年5月和7月發生3次內漏。泄漏后的處理方法均為開蓋檢修，進行試壓捉漏，對泄漏管子堵管，三次各堵管1根。具體部位如圖2所示，圖中從左到右給堵管管子編號為1#、2#、3#。1#為2018年5月泄漏堵管，2#為2017年11月泄漏堵管，3#為2018年7月泄漏堵管。可以看出，3次發生泄漏的管子在垂直方向上位于相近的位置。

圖2 運行第二周期內3次泄漏部位

2018年7月，在三級冷凝冷卻器檢修過程中對其進行外觀檢查，管束的管板及管口部位表面狀況良好，未見明顯腐蝕，同時，對管板進行了滲透檢測，未發現缺陷。

3 冷凝器泄漏原因分析

3.1 腐蝕因素分析

冷凝器殼程進料為溫度90 ℃左右的富氨氣，出料為40 ℃左右的富氨氣和冷凝液，富氨氣中氣相氨質量分數達到70%以上。在有氨和硫化氫共存的體系中，氣相中硫化氫質量分數很低，液相中較大的氨/硫化氫分子比會促進氨和硫化氫的反應，生成腐蝕酸性水汽提裝置的硫氫化銨(NH4HS)。NH4HS水溶液的濃度和流速影響腐蝕速率，流速增大不僅會增大腐蝕速率，還會發生銨鹽的沖刷腐蝕[2]。在溫度低于120 ℃時，硫氫化銨會析出結晶，流速較低的部位容易結垢導致設備堵塞，還會造成垢下腐蝕。

實際生產中，進裝置原料水中氨及硫化氫的含量受上游裝置所煉油品及運行情況的影響而變化。如果原料水中氨的濃度變化幅度較大，需要不斷地進行工藝調整，如控制汽提蒸汽流量及溫度等，使側線抽出的位置處于氨富集區。當側線抽出比過大時，會造成側線抽出的富氨氣中攜帶較多硫化氫，易形成NH4HS。根據裝置的采樣分析結果統計，側線氣中硫化氫體積分數平均值為3%，最大值達到10%，這對碳鋼材質來說有較高的腐蝕風險。

2016年停車大修期間，裝置進行了腐蝕調查[3]，發現側線富氨氣系統的腐蝕情況較為嚴重。為減緩腐蝕速率，同時考慮到冷凝器碳鋼管束3年左右的使用壽命，將冷凝器管束材質升級為304L不銹鋼。

3.2 管束泄漏失效分析

實際應用中，第二周期材質304L管束使用壽命僅為2年。為了查明管束泄漏原因，對管束的泄漏部位取樣并進行了失效分析。考慮到管束的修復利用，未采用破壞性的手段拆除，分別對1#和2#管抽管取樣。1#管抽出后發現兩處斷裂部位，分別位于靠近右側管板第1塊折流板處以及右側管板連接處；2#管抽出后發現4處斷裂部位，分別位于靠近左側管板第1塊、第2塊折流板處，靠近右側管板第1塊折流板處以及右側管板連接處。

從圖3斷裂部位的宏觀形貌來看，斷裂處形成明顯的減薄區域，與相近處正常管壁間存在明顯界限。同時，減薄區域有一圈圈的摩擦擠壓痕跡。

圖3 2#管左側第2塊折流板處斷裂部位

3.2.1 化學成分分析

首先，為確認實際所用材料與304L的一致性，對管材化學成分進行了分析，結果如表2所示。分析結果表明，取樣的1#管與2#管材料成分與304L不一致，而與316L相一致。后對該管束外圍一圈管子及管板進行光譜檢測，結果均顯示與304L成分相同。

表2 取樣管材的化學成分

由于未對管束拆解，未能檢測所有內部換熱管材質。正好斷裂取樣的1#、2#管兩根與原設計材質不一致，分析可能是由于制造廠家在生產過程中換熱管混合放置未確認材質所導致。

3.2.2 金相組織分析

為了觀察管材金相組織有無異常，對2#管左側第1塊折流板處的斷口區域、減薄區、減薄與未減薄交界區、減薄區均進行了金相組織檢查及分析。

金相檢查結果顯示，各檢查區域的管材金相組織為奧氏體+孿晶，組織均正常。管子內壁無明顯腐蝕現象，管子整個減薄區域外壁都可以看到明顯的摩擦擠壓痕跡，如圖4所示。非減薄區域的外壁則看不到這些擠壓痕跡，而且整個減薄區域未見腐蝕產生的腐蝕坑，說明腐蝕不是造成管子斷裂部位表面局部減薄的主要原因。

圖4 減薄區外壁圖 200×

3.2.3 微觀形貌分析

對2#管左側第1塊折流板處斷裂部位的斷口進行了微觀形貌分析(見圖5)。經觀察微觀形貌顯示，斷口是從外壁向內壁發生開裂并最終斷裂的，在內壁處存在最終撕裂時留下了剪切層形貌，并且內壁及外壁附近斷口均可以觀察到韌窩和大量擠壓碰撞留下的摩擦痕跡。

圖5 內壁剪切層處形貌

3.2.4 能譜分析

對斷口內壁和外壁區域表面產物分別進行了能譜分析，結果顯示，內外壁表面各元素含量并無較大差別。主要元素為鐵、鉻、鎳，還含有少量的氮、硫，氮、硫的質量分數分別約為3%，1.3%，其中能產生腐蝕的有害元素即硫和氮。能譜分析結果顯示，換熱管腐蝕較輕微，說明奧氏體不銹鋼在此種工藝條件下有著較好的抗蝕性。

3.2.5 管束泄漏原因分析

綜合前面所采取的一系列分析方法的結果，本次發生斷裂失效的換熱管其斷裂部位全部在如下兩個部位：(1)靠近管板(接近進出口)管束穿過折流板的管孔處；(2)管束與兩端管板的連接處。宏觀檢查和金相組織檢查均發現斷裂部位存在嚴重的外表面局部減薄，減薄區域外壁存在明顯摩擦擠壓痕跡，而且斷口微觀形貌中可以看到整個斷口上都是摩擦擠壓的碰撞痕跡，說明該斷裂部位的局部減薄主要是由于換熱管振動與折流板摩擦擠壓所致。

4 引起管束振動原因討論

從此次失效的部位及斷口形貌分析，屬于換熱器振動中的擋板損傷破壞形式[4]。由于折流板管孔與換熱管外徑存在徑向間隙，管子的橫向振動會引起管外壁與折流板的孔內壁間產生反復摩擦。

一般來說，換熱器在運行過程中或多或少都會產生振動。輕微的振動不會損壞換熱器，還有助于強化傳熱、防止結垢[5]，但是應該避免振動過大而造成換熱器故障失效的情況。換熱器管束振動的機理主要有漩渦脫落、紊流抖振、流體彈性不穩定性、聲共振這4種。

管束振動來源主要是換熱器殼程流體的流動。殼程中的流體流路十分復雜，有橫向流、軸向流等多種流路，且殼程進出口還存在一定的滯留區。如果殼程流體橫流速度超過臨界流速，管子振幅將增大，相鄰換熱管相互碰撞，即為流體彈性不穩定性，嚴重時將導致換熱管斷裂。

除了受流體流動的影響外，如果換熱器的結構設計不當，也易引發管束振動。三級冷凝冷卻器殼程進料從殼體上部兩側入口進入殼體內，管束上部在殼程進口處安裝有防沖擋板。由于防沖擋板的作用改變了流向，使殼體進口管束周圍成為高速流區，較易引起附近管子的振動。有對比分析認為，在換熱器增加防沖板后流體橫流速度增加，比無防沖板時更容易誘發漩渦脫落及流體彈性不穩定激振[6]。

該換熱器最靠近兩端管板的折流板為環形折流板，中間由等間距布置的多個單弓形折流板支撐，兩端折流板與管板之間的跨距與中間跨距不同。管子是換熱器中撓性最大的部件，管束的折流板間距過大，易引起流體誘發振動。同時，折流板管孔內徑與換熱管外徑的間隙過大，也會加強折流板與換熱管的摩擦。經測量管束結構尺寸，折流板管孔直徑為20.2～21.0 mm，明顯大于GB/T 151—2014《熱交換器》中對I級管束折流板管孔直徑所推薦的換熱管外徑19 mm+0.7 mm的要求[7]。

5 結論

綜上所述，經過對三級冷凝冷卻器泄漏失效的原因分析，可以采取相應的預防及改進措施。

(1)預防工藝介質腐蝕，普通碳鋼的抗腐蝕性較弱，進行設備材質升級是較好的手段。300系列奧氏體不銹鋼在該條件下有較好的耐蝕性。

(2)嚴格工藝操作，確保設備運行平穩，且運行條件需在設計范圍內，避免超負荷運行或頻繁調整操作。

(3)改進換熱器管束結構設計：①對于殼程入口防沖結構，可使用帶孔的防沖擋板、防沖桿等，減少對流體橫流速度的影響。②優化折流板結構設計，適當減少折流板間距，可以提高管束剛度，增加其固有頻率。同時，縮小折流板管孔與換熱管之間的間隙，增大折流板厚度，均能減弱管束振動帶來的“鋸割”效應。也可以變更折流板形式，比如用桿式折流圈代替折流板，即可支撐管束，對流體起到擾流作用，同時使殼程流體縱向沖刷管束，避免因折流板導致的流體誘發振動[8]。

(4)嚴格把關設備制造質量，不因材質錯誤、材料性能不符合要求或未按圖施工等造成不必要的損失。