表面蒸發(fā)板式空冷器失效分析與防護(hù)

張學(xué)恒

(中國石化青島煉油化工有限責(zé)任公司，山東 青島 266500)

表面蒸發(fā)板式空冷器是一種將水冷與空冷，傳熱與傳質(zhì)過程融為一體的新型空冷器，具有優(yōu)良的傳熱性能，它是一種傳熱效率高、投資省、操作費(fèi)用低、結(jié)構(gòu)緊湊且節(jié)能節(jié)水的高效冷凝冷卻設(shè)備，它依靠在傳熱表面水膜蒸發(fā)帶走熱量，而且板式布局具有更合理的布膜方式(順風(fēng)布膜)和更有效的蒸發(fā)表面(板式傳熱元件)。表面蒸發(fā)板式空冷器一般由板束、構(gòu)架水箱和噴淋水系統(tǒng)等構(gòu)件組成，板束板片一般選擇316L薄板經(jīng)過模壓成型的LT波紋板型。噴淋水系統(tǒng)由自帶增壓水泵和構(gòu)架水箱形成噴淋水自循環(huán)系統(tǒng)，噴淋水一般設(shè)計(jì)為Cl-含量較低的除鹽水。

某煉化企業(yè)新投用的316L表面蒸發(fā)板式空冷器運(yùn)行不到1 a，相繼發(fā)現(xiàn)多臺空冷器板片出現(xiàn)泄漏。由于泄漏介質(zhì)屬于可燃介質(zhì)，燃爆危險(xiǎn)性大，安全風(fēng)險(xiǎn)較高。為了找出板片泄漏原因，對空冷器板片的腐蝕進(jìn)行失效分析，分析泄漏原因，提出改進(jìn)措施。

1 情況簡介

某公司氣分裝置丙烯塔頂丙烯組分經(jīng)塔頂板式空冷器降溫(由50 ℃降至40 ℃)后進(jìn)入塔頂回流罐，底部產(chǎn)品一部分抽出送入丙烯塔頂層塔板上作回流，另一部分送至下游聚丙烯裝置。丙烯塔頂流程見圖1。

丙烯塔頂空冷器為表面蒸發(fā)板式濕空冷器，正常使用周期為8 a，2019年檢修投用后，僅僅 1 a 時(shí)間并列布置的316L管束多臺相繼發(fā)生泄漏，設(shè)備運(yùn)行壽命大大降低。

圖1 丙烯塔頂流程

2 失效分析

2.1 失效部位

丙烯塔頂空冷器共9臺，每臺2片，并列布置，空冷器相關(guān)參數(shù)見表1。

表1 空冷器相關(guān)參數(shù)

失效部位均集中于丙烯塔頂板式空冷器316L不銹鋼板束中間壓泡部位(見圖2)。

2.2 運(yùn)行分析

丙烯塔頂空冷器管程介質(zhì)主要為丙烯、丙烷和液化石油氣組分，不含硫化氫和氯化氫等腐蝕介質(zhì)(見表2)。

圖2 空冷器泄漏部位

表2 工藝介質(zhì)組成 φ,%

從空冷器管程工藝介質(zhì)組成來看，工藝介質(zhì)不含硫化氫和氯化氫，腐蝕性較低。

由于空冷器外噴淋除鹽水循環(huán)使用，所以定期補(bǔ)充新鮮除鹽水，設(shè)計(jì)正常補(bǔ)充的除鹽水氯離子質(zhì)量濃度低于20 mg/L。根據(jù)泄漏部位和形貌，判斷空冷器板束腐蝕應(yīng)為外部腐蝕，對5臺空冷器的噴淋水系統(tǒng)采樣分析氯離子含量，結(jié)果見表3。

表3 2019—2020年噴淋水Cl-分析結(jié)果 mg/L

從5臺空冷器的噴淋水系統(tǒng)氯離子采樣分析看，2019年12月份氯離子含量開始較正常值略高，從2020年1月初到1月中旬，氯離子含量明顯升高。由于各空冷器并列組成，各自噴淋水循環(huán)系統(tǒng)并不交匯，只有在系統(tǒng)補(bǔ)水時(shí)才會交匯，所以各臺數(shù)值有一定差異，但都呈明顯的上升趨勢。后期系統(tǒng)經(jīng)過多次置換、補(bǔ)水后，氯離子含量在1月末和2月初開始回落，2月中旬基本恢復(fù)正常并保持穩(wěn)定。

2.3 失效分析

2.3.1 失效部位形貌

空冷器板束結(jié)構(gòu)為316L薄板片壓制成形，兩邊薄板組焊并與夾持鑲塊焊接固定后，再與管箱端板焊接構(gòu)成，空冷器板束的基本結(jié)構(gòu)見圖3。

圖3 空冷板束結(jié)構(gòu)

板式空冷器的失效部位大多位于兩片薄板的長條焊縫和夾持鑲塊與管板的焊縫處，但本次失效部位并不在焊縫和熱影響區(qū)，而位于板片中間部位。

空冷失效部位的宏觀形貌見圖4。由圖4可見穿孔部位蝕孔的外壁側(cè)孔徑達(dá)到2.15 mm，較內(nèi)壁側(cè)孔徑(1.24 mm)大，且在外壁側(cè)蝕孔周圍可見大小不一的點(diǎn)蝕坑，而內(nèi)壁蝕孔周圍未見其他腐蝕坑，說明腐蝕起源于外壁。

圖4 失效部位宏觀形貌

應(yīng)用電子顯微鏡對板片失效部位進(jìn)行觀察，觀察結(jié)果見圖5。由圖5可見，在板片外表面多部位形成了點(diǎn)蝕坑，蝕坑表面晶界和晶粒間形態(tài)正常，未發(fā)現(xiàn)明顯應(yīng)力導(dǎo)致的塑性變形。

2.3.2 腐蝕產(chǎn)物分析

失效空冷器板片材質(zhì)為316L不銹鋼,對失效部位的腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行EDS(能譜)分析，結(jié)果見圖6。由圖6可見：點(diǎn)蝕部位表面除含有材料金屬中的元素外，還含有O，Ti，Si，Al，K，Ca，Na，Mg，S和Cl元素。其中Cl元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%。

圖6 EDS分析圖譜示意

對板片外表面的泥垢樣進(jìn)行分析，結(jié)果見表4。由表4可見：Ca2+含量高，這些Ca2+是由噴淋水系統(tǒng)和大氣微塵帶來的。

表4 表面泥垢樣分析

2.3.3 金相分析

試樣經(jīng)機(jī)械拋光后采用溶液電解腐蝕，對應(yīng)的金相組織見圖7。結(jié)果表明母材組織中為常規(guī)奧氏體，點(diǎn)蝕部位金相組織并無明顯異常，說明板片并無材質(zhì)缺陷，腐蝕穿孔并非材料劣質(zhì)化導(dǎo)致。

圖7 失效部位金相組織

3 失效原因綜合分析

3.1 噴淋水介質(zhì)調(diào)整

考慮不銹鋼材質(zhì)對Cl-腐蝕的敏感性，空冷噴淋水系統(tǒng)使用管網(wǎng)除鹽水，其中Cl-和鹽類成分含量指標(biāo)非常低。但該裝置使用的管網(wǎng)除鹽水在失效前半年經(jīng)過調(diào)整，改為城市中水，城市中水的Cl-含量控制不穩(wěn)定，且鹽類物質(zhì)含量較多，使得板片表面結(jié)垢和局部Cl-腐蝕成為可能。

3.2 Cl-腐蝕因素

當(dāng)Cl-質(zhì)量濃度大于300 mg/L時(shí)，316L不銹鋼板片的腐蝕電位下降明顯[1]。316L金屬表面處于鈍化狀態(tài)的金屬膜，溶解和再鈍化處于平衡狀態(tài)，當(dāng)介質(zhì)中的Cl-達(dá)到一定濃度時(shí)，平衡會受到破壞，處于金屬表面的金屬原子有進(jìn)入溶液的傾向，表現(xiàn)出富余的成鍵能力，吸附溶液中的Cl-，Cl-又能優(yōu)先選擇吸附在鈍化膜上，把其中的氧離子替代，結(jié)合成新的可溶氯化物，結(jié)果在金屬表面鈍化膜薄弱的地方形成腐蝕坑。

對失效空冷噴淋水的Cl-質(zhì)量濃度分析發(fā)現(xiàn)，正常指標(biāo)控制在50 mg/L以下，但由于調(diào)整為城市中水，Cl-含量控制不穩(wěn)定，且沒有及時(shí)置換調(diào)整，一段時(shí)間內(nèi)Cl-濃度大幅上升，從而導(dǎo)致腐蝕加劇，直到噴淋水重新調(diào)整回除鹽水后，Cl-濃度回歸正常，但已經(jīng)造成了板片的腐蝕。

3.3 結(jié)垢因素

表面蒸發(fā)式空氣冷卻器的表面，微溶性鹽類極易發(fā)生飽和，進(jìn)而結(jié)晶析出，形成硬垢，容易導(dǎo)致微電池腐蝕和濃差電池腐蝕[2]。由于噴淋水改為城市中水，噴淋水在空冷板片表面蒸發(fā)后，板束板片中間部位存在鈣、鎂和硅等碳酸鹽類，形成了結(jié)垢，結(jié)垢部位形成閉塞電池，只剩下金屬腐蝕的陽極反應(yīng)，導(dǎo)致更多的帶負(fù)電Cl-遷移進(jìn)入孔內(nèi)，從而使結(jié)垢部位的金屬氯化物濃縮更加嚴(yán)重，加速腐蝕。一定時(shí)間內(nèi)Cl-濃度的大幅上升，加速了金屬鈍化膜的局部溶解，電極電位向著負(fù)向移動(dòng)，金屬的還原性增強(qiáng)，孔蝕更加嚴(yán)重[3]，最終導(dǎo)致板片泄漏。

4 防護(hù)措施

4.1 材料控制

換熱板片應(yīng)用316L薄板，板片用材的牌號和化學(xué)成分應(yīng)滿足國家標(biāo)準(zhǔn)，Cr和Mo含量應(yīng)在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的范圍內(nèi)且靠上限，盡量降低材料雜質(zhì)含量，提高抗點(diǎn)蝕能力。

4.2 工藝控制

(1)噴淋水系統(tǒng)應(yīng)用的噴淋水應(yīng)嚴(yán)格控制氯離子、鈣、鎂和硅等含量指標(biāo)，對噴淋水質(zhì)增加實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，分析指標(biāo)引入DCS監(jiān)控，避免超標(biāo)對設(shè)備造成損壞；

(2)表面蒸發(fā)板式濕空冷的板片應(yīng)定期采用高壓除鹽水沖洗，尤其注意沖洗壓泡部位的結(jié)垢，避免大量垢類堆積引起垢下腐蝕；

(3)噴淋水系統(tǒng)應(yīng)定期置換、清洗，避免因水蒸發(fā)而導(dǎo)致循環(huán)系統(tǒng)的Cl-含量升高。

5 結(jié) 論

(1)316L板片失效是由碳酸鹽類結(jié)垢導(dǎo)致局部Cl-濃縮，引起奧氏體不銹鋼的Cl-腐蝕穿孔；

(2)噴淋水介質(zhì)的調(diào)整未考慮到對設(shè)備的后續(xù)影響，是導(dǎo)致板片失效的深層次原因。

(3)氣分裝置丙烯塔頂采用表面蒸發(fā)板式濕空冷器，板片采用316L不銹鋼，容易受到Cl-腐蝕影響，應(yīng)嚴(yán)格控制噴淋水系統(tǒng)中的Cl-和鈣、鎂和硅等含量，應(yīng)利用實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，加強(qiáng)工藝管理，提升管控措施，確保設(shè)備長周期運(yùn)行。