壓縮機(jī)級(jí)間冷卻器管束泄漏及改進(jìn)措施

(中石油克拉瑪依石化有限責(zé)任公司，新疆 克拉瑪依市 834003)

1 冷卻器簡(jiǎn)介

某石化公司450 kt/a焦化汽油加氫裝置新氫壓縮機(jī)C301/A/B,為往復(fù)式壓縮機(jī),日常生產(chǎn)時(shí)一用一備，新氫經(jīng)兩級(jí)壓縮后達(dá)到工藝要求，另外在兩級(jí)壓縮級(jí)間設(shè)冷卻器和分液罐。級(jí)間冷卻器E306/A，為U形管換熱器，管程介質(zhì)為氫氣，殼程介質(zhì)為循環(huán)水，循環(huán)水進(jìn)水壓力約為0.3 MPa。級(jí)間冷卻器于2015年7月大檢修后投用，冷卻器管束材質(zhì)為20號(hào)鋼，換熱管規(guī)格為φ16 mm×1.5 mm×4 000 mm，共計(jì)60根，其設(shè)備工藝參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 設(shè)備工藝參數(shù)

2 冷卻器腐蝕泄漏概況

在2016年5月17日，巡檢發(fā)現(xiàn)新氫壓縮機(jī)C301/A出口排量明顯降低，新氫缸級(jí)間冷卻器E306/A殼體內(nèi)部及循環(huán)水管線氣流聲很大，并在循環(huán)水回水視窗發(fā)現(xiàn)水流成噴射狀，分析認(rèn)為E306/A管束發(fā)生內(nèi)漏。緊急將壓縮機(jī)切換至備用壓縮機(jī)，并對(duì)E306/A進(jìn)行隔離，防止循環(huán)水和氫氣之間互串。管束試壓發(fā)現(xiàn)兩根換熱管明顯泄漏，對(duì)泄漏換熱管進(jìn)行封堵。

2.1 換熱管宏觀檢查

對(duì)E306/A管束進(jìn)行宏觀檢測(cè)發(fā)現(xiàn)：冷卻器管板、管束與管板連接焊縫無(wú)腐蝕，換熱管內(nèi)介質(zhì)為純度99.9%的新氫，也無(wú)腐蝕性，換熱管內(nèi)壁干凈光滑，無(wú)明顯腐蝕。在換熱管外壁、管板和折流板附近表面有黃色或灰色松軟黏泥，內(nèi)部為黑色硬塊垢沉積，最大積垢高度達(dá)到7 mm，見(jiàn)圖1。用高壓水槍清除管束外壁垢層后，發(fā)現(xiàn)垢下腐蝕嚴(yán)重，坑深達(dá)1.0 mm，換熱管沒(méi)有結(jié)垢部位并無(wú)明顯腐蝕現(xiàn)象，見(jiàn)圖2。一根換熱管已經(jīng)腐蝕穿孔，穿孔自外向內(nèi)，為換熱管外壁腐蝕，腐蝕孔尺寸為5 mm×3 mm，見(jiàn)圖3。

圖1 換熱管外壁結(jié)垢

2.2 渦流檢測(cè)

為了解E306/A管束的腐蝕情況，為維修提供依據(jù)，對(duì)該管束進(jìn)行渦流檢測(cè)。管束總計(jì)60根，其中檢測(cè)管子58根，抽檢比例為97%。通過(guò)分析渦流檢測(cè)圖譜，其中有7根換熱管渦流檢測(cè)壁厚損失大于40%，有17根管子渦流檢測(cè)壁厚損失在30%～40%(見(jiàn)圖4)。可以看出，換熱管壁厚損失嚴(yán)重部位間距一致而且與冷卻器折流板數(shù)量一樣，與換熱管折流板兩側(cè)結(jié)垢嚴(yán)重相吻合。對(duì)壁厚損失大于40%的管子共7根進(jìn)行堵管處理，該次維修共計(jì)堵管9根，堵管率達(dá)到15%，見(jiàn)圖5。

圖2 換熱管垢下腐蝕坑

圖3 定距管貫穿性蝕孔

圖4 管束渦流檢測(cè)結(jié)果分布圖

2.3 換熱管外壁垢樣分析

根據(jù)換熱管宏觀檢查結(jié)果，可以判斷換熱管發(fā)生了循環(huán)水垢下腐蝕，導(dǎo)致?lián)Q熱管穿孔泄漏。為了判斷分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，對(duì)管束外壁垢樣進(jìn)行分析，分析結(jié)果見(jiàn)表2。由表2可以看出,垢樣中大部分為鐵的腐蝕產(chǎn)物和有機(jī)物、微生物黏泥，判斷換熱管外壁循環(huán)水垢的類型為黏泥垢，垢下腐蝕導(dǎo)致?lián)Q熱管腐蝕穿孔。

圖6 E306/A堵管示意

表2 垢樣分析數(shù)據(jù)

3 冷卻器腐蝕原因分析

3.1 腐蝕機(jī)理

金屬在循環(huán)水中發(fā)生電化學(xué)腐蝕，在腐蝕電池中陰極反應(yīng)主要是氧的還原，陽(yáng)極反應(yīng)則是鐵的溶解，碳鋼在循環(huán)水中的腐蝕反應(yīng)為：

垢下電化學(xué)腐蝕初期，隨著陽(yáng)極金屬不斷形成Fe2+，陰極的溶解氧消耗完畢，陰極反應(yīng)停止，由于垢下空間狹窄以及腐蝕產(chǎn)物的阻擋，水中的溶解氧很難達(dá)到垢下的腐蝕環(huán)境中，污垢下處于缺氧狀態(tài)，而周圍循環(huán)水中的溶解氧則比較豐富，如此形成了氧濃差腐蝕電池，促使反應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行，垢下為金屬陽(yáng)極反應(yīng)，周圍為氧的還原反應(yīng)，金屬不斷溶解為Fe2+，出現(xiàn)過(guò)剩的正電荷，為了保持電中性，垢外Cl-遷移至垢下，與金屬離子形成FeCl2，并發(fā)生水解，生成腐蝕性較強(qiáng)的鹽酸，反應(yīng)式如下：

FeCl2發(fā)生水解后導(dǎo)致垢下pH值降低，介質(zhì)酸性增加，腐蝕加劇，垢下產(chǎn)生坑蝕。隨著蝕坑的生長(zhǎng)，在蝕坑周圍生成鐵銹和其他沉積物，在蝕坑內(nèi)介質(zhì)處于滯留狀態(tài)，這樣就構(gòu)成了閉塞電池，閉塞區(qū)內(nèi)處于強(qiáng)酸環(huán)境，加速了垢下的金屬溶解速度[1]。同樣垢外的還原速度也增加，而使垢下的金屬不斷溶解，垢下金屬離子進(jìn)一步過(guò)剩又促使Cl-遷入，形成FeCl2，水解后形成鹽酸，使垢下酸性溶液濃度增加，使腐蝕加劇，如此循環(huán)，形成了垢下腐蝕發(fā)展的自催化過(guò)程，可見(jiàn)造成垢下腐蝕加速進(jìn)行的根本原因是閉塞電池的自催化作用[2]。

在氧氣充足的情況下，F(xiàn)e(OH)2進(jìn)一步氧化成黃色的FeO(OH)和Fe2O3;在氧氣不充足的情況下，生成水合氧化鐵或黑色的Fe3O4，這與垢外表為黃色，內(nèi)部為黑色的現(xiàn)象相吻合[3]。

3.2 冷卻器泄漏原因分析

3.2.1 設(shè)備本身原因分析

按照GB/T 4336—2002《碳素鋼和中低合金鋼原子發(fā)射光譜分析方法》，對(duì)換熱管材質(zhì)進(jìn)行分析,管束材質(zhì)化學(xué)成分符合GB/T 9948—2013《石油裂化用無(wú)縫鋼管》標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的20號(hào)鋼的化學(xué)成分，所有成分均在標(biāo)準(zhǔn)范圍以內(nèi)，結(jié)果見(jiàn)表3。排除換熱管材質(zhì)不合格不耐腐蝕的原因，乃是20號(hào)鋼材質(zhì)耐循環(huán)水垢下腐蝕能力較差所致。而該冷卻器換熱管規(guī)格為φ16 mm×1.5 mm，換熱管壁厚較薄，腐蝕余量不足，是冷卻器換熱管僅運(yùn)行1 a就泄漏的原因之一。

表3 換熱管鋼化學(xué)成分分析結(jié)果 w，%

3.2.2 循環(huán)水水質(zhì)分析

2015年7月至2016年7月循環(huán)水水質(zhì)分析結(jié)果見(jiàn)表4。一年內(nèi)的循環(huán)水水質(zhì)各項(xiàng)指標(biāo)在公司要求范圍內(nèi)，但循環(huán)水中氯離子含量偏高，提供了加速垢下腐蝕的陰離子；循環(huán)水的濁度和懸浮物的平均測(cè)量值也接近指標(biāo)上限，在冷卻器流速較低的部位極易在換熱器中進(jìn)行聚集，引起循環(huán)水側(cè)結(jié)垢形成垢下腐蝕環(huán)境。

表4 循環(huán)水分析結(jié)果

3.2.3 循環(huán)水流速分析

委托專業(yè)檢測(cè)公司對(duì)E306/A循環(huán)水流速進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表5。E306/A殼程內(nèi)循環(huán)水流速僅為0.29 m/s，依據(jù)GB 50050—2017《工業(yè)循環(huán)冷卻水設(shè)計(jì)規(guī)范》和《中石油集團(tuán)公司裝備管理檢查細(xì)則》中要求，冷換設(shè)備循環(huán)水流速不應(yīng)小于0.9 m/s，E306/A循環(huán)水流速遠(yuǎn)低于指標(biāo)。循環(huán)水長(zhǎng)期在換熱管中低速流動(dòng)，不可避免造成黏泥與微生物在換熱管表面缺陷位置吸附沉積。造成循環(huán)水流速低的原因主要有：(1)設(shè)計(jì)E306/A循環(huán)水進(jìn)回水管徑為DN50，水量較小僅為36 m3/h，且循環(huán)水走殼程，折流板和管板附近循環(huán)水流速更低。(2)公司有兩套循環(huán)水供水裝置，450 kt/a焦化汽油加氫裝置循環(huán)水為二套循環(huán)水供水裝置總管末端，進(jìn)水壓力為 0.25 MPa，低于工藝指標(biāo)0.4 MPa。

表5 E306/A循環(huán)水流速檢測(cè)結(jié)果

3.2.4 工藝操作原因分析

新氫壓縮機(jī)C301/A/B一用一備，切換周期為3個(gè)月，當(dāng)壓縮機(jī)C301/B備用時(shí)，為節(jié)約能耗將E306/A循環(huán)水停用，循環(huán)水長(zhǎng)時(shí)間不流動(dòng)，為微生物滋養(yǎng)和污垢沉積提供了條件。

4 改進(jìn)措施

4.1 增大循環(huán)水流速

將450 kt/a焦化汽油加氫裝置循環(huán)水供水系統(tǒng)切換至公司一套循環(huán)水供水裝置，裝置供水壓力達(dá)到0.4 MPa,達(dá)到工藝要求指標(biāo)；將E306/A循環(huán)水管徑由DN50增大至DN100，循環(huán)水量增加至80 m3/h，循環(huán)水流速增加至0.6 m/s。增大循環(huán)水流速可以將水中的懸浮物及微生物來(lái)不及附著管壁就被沖走，在一定程度上能減緩換熱管的腐蝕。

4.2 定期除垢

當(dāng)壓縮機(jī)備用時(shí)，級(jí)間冷卻器循環(huán)水不停用，進(jìn)回水閥門繼續(xù)保持全開(kāi)狀態(tài)，消除由于循環(huán)水長(zhǎng)時(shí)間停用造成換熱管外壁積垢的因素；壓縮機(jī)每運(yùn)行3個(gè)月停機(jī)后，采取措施對(duì)換熱器管壁進(jìn)行反沖洗，定期清除換熱管外壁沉積物。

4.3 加強(qiáng)循環(huán)水水質(zhì)管理

加強(qiáng)循環(huán)水水質(zhì)管理，采用定期清理池底雜質(zhì)等措施清除循環(huán)水塔破碎填料片及其他雜質(zhì)，減少黏泥等雜物在冷卻器中的沉積，將循環(huán)水中氯離子質(zhì)量濃度控制在250 mg/L以下，循環(huán)水濁度控制在20 FTU以下，懸浮物指標(biāo)控制在15 mg/L以下，減緩或避免因垢下腐蝕導(dǎo)致?lián)Q熱器出現(xiàn)泄漏。

4.4 升級(jí)換熱管材質(zhì)

級(jí)間冷卻器維修完成后，換熱管更換為耐腐蝕性能更強(qiáng)的TP321不銹鋼管束，壁厚由1.5 mm增加至2 mm，并于2016年9月逐臺(tái)進(jìn)行更換。

采取以上防腐蝕措施以后，2016年9月更換管束運(yùn)行3 a的時(shí)間內(nèi)，該級(jí)間冷卻器沒(méi)有發(fā)生腐蝕泄漏現(xiàn)象。在2018年8月裝置大檢修期間檢查發(fā)現(xiàn)，換熱管、管板和折流板附近仍有輕微結(jié)垢現(xiàn)象，但垢下腐蝕不明顯，對(duì)管束外壁進(jìn)行清洗除垢后繼續(xù)使用。

5 結(jié) 語(yǔ)

冷卻器的安全運(yùn)行關(guān)系到生產(chǎn)效率、企業(yè)效益以及裝置生產(chǎn)安全。該文對(duì)某加氫裝置壓縮機(jī)級(jí)間冷卻器換熱管腐蝕泄漏原因進(jìn)行了分析，并制定了相應(yīng)的改進(jìn)措施，最終解決了冷卻器腐蝕泄漏的問(wèn)題。