低溫發電凝結水換熱器管束失效原因分析

邵子君

摘 要：通過對芳烴聯合裝置低溫熱水發電系統用熱媒水/凝結水換熱器E902A/B管束多次失效情況和腐蝕形貌、運行工況、設備結構的分析，發現該換熱器因凝結水實際流量較設計流量偏大，在氣液兩相，以及凝結水中含有的氧腐蝕和CO2形成的弱酸腐蝕共同造成管束失效。采取了增加防沖擋板、升級管板材質的措施，有效延長了管束運行周期，并提出了進一步優化建議。

關鍵詞：凝結水;失效;沖刷;腐蝕

1 情況介紹

熱水發電項目是某石化芳烴聯合裝置的重要組成部分，利用低溫熱能獲得熱水來循環發電，達到節能降耗，實現效益，熱媒水/凝結水換熱器E902A/B是該系統兩臺關鍵設備。但自2013年裝置開工以來，該換熱器管束發生3次泄漏，均為A臺管束泄漏失效，B臺管束運行正常。

熱媒水/凝結水換熱器E902A/B共兩臺，型號是：BES700-1.6-155-6/19-4I，兩臺換熱器規格、型號相同，串聯運行，A前B后，管束材質為10#鋼，管程介質為蒸汽凝結水，操作壓力0.45MPa，操作溫度160/92℃，實際流量47t/h，設計流量35t/h;殼程介質為熱媒水（除鹽水），操作壓力0.7MPa，操作溫度69/120℃，流量約80t/h。

芳烴置換各部位換熱后的中低壓蒸汽凝液經低低壓蒸汽凝結水罐D904閃蒸，0.45MPa低低壓蒸汽經罐頂并入蒸汽管網，罐底凝結水經液位控制調節閥與其他裝置來的凝結水混合后流入E902A/B管程，作為熱源加熱換熱器殼程除鹽水，被加熱的除鹽水作為媒介進入低溫熱水發電系統發電，被冷卻后的凝結水進入凝結水罐D910后由泵送出裝置，工藝流程詳見圖1：

2 檢查與分析

2.1 宏觀檢查

該換熱器2013年底投入運行，在2014年12月發現有泄漏，2016年初再次發生泄漏，檢修更換成316L材質管束。拆檢發現E902A管束受損傷部位、形貌特征等和2014年底拆檢情況相似，第一管程固定管板表面損傷嚴重，大部分換熱管焊口開裂，管箱隔板局部有損傷，但第一管程換熱管由于用316L襯管保護，管口未見明顯減薄。3次檢修對換熱器E902B管束檢查，均未發現有泄漏。

2.2 運行工況

換熱器自投用以來，一直處于穩定的運行工況，未發生過開、停車故障，用聽診設備監聽換熱器運行情況，可以發現換熱器內部存在液擊聲。對操作參數分析，發現管程實際凝結水量與設計存在偏差，設計凝結水流量34t/h，實際生產中流量達到47t/h，最大流量甚至達到53t/h，在管徑一定的情況下，流量增大會引起流速增大，流速的增大會造成介質對管道彎頭、管束的沖刷作用增強。

2.3 設備結構

E902A/B兩臺管束固定管板用16MnⅢ材質，換熱管用10#鋼，換熱管與管板之間強度焊加貼脹，管程入口均未安裝防沖設備，兩臺換熱器管束采用同樣規格、同樣材質、同樣的生產加工工藝生產制造。

2.4 數據分析

換熱器管程介質是凝結水，殼程介質是熱媒水，通過對介質進行化驗分析，發現存在Fe2+，介質中存在的Cl-和硫化物含量非常低，難以引起管束的腐蝕，通過管束腐蝕形貌也可以肯定腐蝕主要以局部腐蝕為主。

3 腐蝕原因分析

3.1 沖刷腐蝕

由于流體和金屬表面間的相對運動，流體在彎頭、三通、變徑管等處突然改變方向，對金屬及金屬表面的鈍化膜產生機械沖刷破壞作用，金屬以溶解的離子狀態脫離表面，或是生成固態腐蝕產物，然后受機械沖刷脫離表面，沖刷腐蝕中腐蝕電化學作用與流體動力學作用同時存在，相互促進，腐蝕的形貌特征表現為槽、溝、波紋和山谷形等，還常常顯示有方向性，一般這種腐蝕速度很快。結合入口管線彎頭減薄，第一管程固定管板、管箱隔板損傷形態，以及帶有方向性向第二、第三管程延伸的溝槽和蝕坑特征，分析發現符合沖刷腐蝕現象。

凝結水由中低壓蒸汽換熱后再經過低低壓蒸汽凝結水罐D904閃蒸后而來，溫度高達160℃，凝結水中必然夾帶著氣泡，形成氣液兩相條件。凝結水經管道流入換熱器管箱的過程中，一方面由于高速流動與金屬表面發生相對運動引起金屬表面損傷;另一方面夾帶氣相的凝結水在管口處局部區域壓力瞬間降低，形成空泡腐蝕，如水錘作用使管板表面遭受嚴重的損傷，在沖刷腐蝕和空泡腐蝕的協同作用下導致管道彎頭、管束的腐蝕失效。2014年12月檢修后，工藝調整操作，關小管程出口凝結水入罐閥門，這一操作致使管程凝結水進換熱器壓力發生變化，從而導致凝結水在管束內部的流動形態和氣液相能量釋放位置發生變化，所以對管束的破壞部位也發生變化，加大了對固定管板第二管程端面、換熱管管口及浮頭的沖刷作用，從檢修情況也得到驗證。流速在沖刷腐蝕中起重要作用，一般隨流速的增大，沖刷腐蝕速度隨之增大，由于該換熱器設計偏小，實際運行流速大于設計流速，這也增大了凝結水對換熱器管束的沖刷作用，加快了管束腐蝕失效。

3.2 氧腐蝕和CO2形成的弱酸腐蝕

由于蒸汽凝結水系統的非封閉性等原因，凝結水中不可避免的含有氧。凝結水中氧的來源主要有兩方面，一是蒸汽中含有一定量的氧氣，在換熱過程中溶入凝結水中;另一個來源是由于凝結水系統在輸送過程中溶入空氣中的氧氣。凝結水中氧腐蝕形式是去極化腐蝕，由于管道為碳鋼，其腐蝕產物是鐵的氧化物，其腐蝕機理如下：

陽極反應：Fe→Fe2++2e

陰極反應：O2+2H2O+4e→4OH-

Fe2++2OH-→Fe（OH）2

Fe（OH）2在有氧的條件下是不穩定的，可以進一步發生反應生成穩定的氧化物。凝結水的氧腐蝕發生后在金屬的表面形成一個個腐蝕坑，氧腐蝕一旦形成就會持續發生，很難阻止。凝結水的pH值、溶解氧濃度、流速、溫度均影響氧腐蝕速率。

凝結水中的CO2主要來源于蒸汽，蒸汽中的CO2主要是來自蒸汽發生器供水和碳酸鹽類在蒸汽發生器內的受熱分解，溶入凝結水中的CO2會形成弱酸H2CO3，其正常情況下分解為H+和HCO3-，其反應機理如下：

CO2+H2O=H2CO3

H2CO3=H++HCO3-

盡管凝結水中電離的H+不多，但對于相對純凈的凝結水來說，即使弱酸也會對pH值有較大影響。CO2的腐蝕是均勻腐蝕，不會沉積在金屬表面形成保護膜。

當凝結水系統中CO2和O2同時存在時，對碳鋼等設備的腐蝕性會增強，所以，凝結水系統中氧的腐蝕和CO2形成的弱酸腐蝕也是引起該換熱器管束失效的另一個原因。

4 結論

綜上分析，導致E902A頻繁失效的主要原因是凝結水夾帶的氣相在高速流動過程中造成的沖刷和空泡腐蝕，同時存在凝結水系統溶解的氧腐蝕和CO2形成的弱酸腐蝕的協同作用，但從失效形貌來看以沖刷腐蝕表現為主，而設計流量與實際流量的偏差，一定程度上增強了各種腐蝕的作用效應，加快了管束失效的速度。

5 措施和建議

①管束材質升級成316L，能有效延長該工況下換熱器的運行周期;②在A臺換熱器管箱隔板上增設格柵網防沖裝置，能有效降低凝結水對管束的沖刷腐蝕;③調整工藝介質流速或將換熱器凝結水入口管徑增大，降低流速，以減小對彎頭、固定管板的沖擊作用;④蒸汽發生器供水盡可能使用除氧器除凈水中含氧，降低蒸汽中的溶解氧;并保證凝結水循環系統的密閉性，減少氧氣的進入，防止氧腐蝕;⑤在換熱器設計階段，準確計算設計、合理選型;⑥對換熱器入口凝結水管道彎頭等部位增加測厚頻次，及時掌握管道減薄情況。