苯乙烯裝置三聯換熱器泄漏原因分析與改進措施研究

盛楠，米孜拉夫·麥麥提，張小偉，孫康，吳運民

（中國石油獨山子石化分公司乙烯廠，新疆 獨山子 833699）

某廠苯乙烯裝置三聯換熱器分別指進料汽化器E-2201、脫氫反應進料/出料換熱器E-2202、高壓蒸汽發生器E-2203,是苯乙烯裝置脫氫反應單元關鍵靜設備，三臺換熱器管程串聯在一起，通過焊接連接組成一個整體。其中進料汽化器E-2201自2009年開工投用以來，曾發生多次泄漏，造成裝置停工檢修，影響裝置安全生產及經濟效益。2021年1月24日發現三聯換熱器出口溫度有所降低（由正常125.5℃降低至114℃左右），結合歷次三聯換熱器泄漏的現象，初步懷疑進料汽化器可能存在泄漏，為進一步驗證此現象，車間立即組織對三聯換熱器進出口取樣，取樣對比換熱器進出口組份確實存在差異，車間多次組織取樣分析，確認三聯換熱器管程的進出口物料乙苯含量和苯乙烯含量差異較大，確定進料汽化器再次發生泄漏。所以徹底分析三聯換熱器泄漏原因，并提出改進措施，消除該設備隱患，延長設備使用壽命，對確保裝置的安、穩、長、滿、優運行有著重要的意義。

1 流程簡述

進料EB與飽和的ILP蒸發蒸汽混合，分別由兩側進入三聯換熱器一段的進料汽化器E-2201殼程中，乙苯在此換熱器中被汽化，汽化后的蒸汽和乙苯進入進出料換熱器E2202殼程中被過熱，過熱的EB/蒸汽物流與過熱的稀釋蒸汽混合后進入脫氫第一反應器開始反應。反應器出料經過E2202的管程、E2203的管程、E2201的管程被冷卻至125.5℃進入后系統。

2 歷年檢修情況

進料汽化器總管束3652根，2009年9月裝置開工投入使用，至2019年8月裝置大檢修更換，運行10年，期間共發生過4次泄漏。2019年大檢修更換后，在2021年1月再次發生泄漏。

3 破拆情況說明

為徹底、準確的分析判斷進料汽化器管束泄漏原因，車間對2019年大修拆除的舊設備殼體、管束進行破拆（外壁上開孔，逐層切割管束）檢查。

打開殼體進料口處防沖檔桿表面有明顯沖刷腐蝕坑，防沖檔桿兩側管束沖刷腐蝕嚴重，管束破裂。

在打開換熱器中部第二至第三觀察孔處也發現管束破裂穿孔情況，但是腐蝕形貌與沖刷腐蝕不同，主要以點蝕，坑蝕為主：分析因在此位置，乙苯和蒸汽的混合物溫度為122.5℃，接近全部汽化，氣液混合物汽化過程中產生氣泡，并伴隨氣泡破裂，所以對此區域管束破裂初步判斷為空泡腐蝕（氣蝕）造成，此部位內壁板處同樣坑蝕嚴重。

圖1

4 取樣檢驗與檢測情況

對部分泄漏的管束，進行理化分析，大部分樣品肉眼可見已明顯減薄，斷裂部位附近減薄明顯，斷裂邊緣呈刀刃狀，選取樣品的斷口進行厚度測量，發現斷裂處最小壁厚到了0.72mm。

對樣品未明顯減薄的管束取樣，使用光譜儀進行成分分析：管束的檢測結果滿足SA179化學元素含量的要求，與設計要求一致。

對管束的橫截面進行粗磨、細磨拋光腐蝕后觀察金相組織，樣品母材金相組織為鐵素體加珠光體，外壁未見有氧化層，有大量不連續的腐蝕坑，僅在腐蝕坑底部存在氧化層；內壁腐蝕坑較少且相比外側腐蝕坑底較淺。由此可以看出，管束組織正常，管束內、外壁均有腐蝕，但是外壁相比內壁腐蝕更加嚴重。

對樣品使用維氏硬度計進行硬度檢測，減薄區域和未減薄區域的硬度檢測結果差異不大；對樣品裸露出金屬光澤的減薄區域進行清洗，觀察管束外壁表面有大量的圓形蝕坑，邊緣有波浪狀紋路的線條，一邊淺一邊深，具有一致的方向性，圓形蝕坑底存在麻點狀小蝕坑。樣品的微觀形貌表明，管束破裂減薄區域表面有大量的、連續的圓形腐蝕坑，并帶有方向性，有明顯的沖刷腐蝕和汽蝕特征，因此判斷管束減薄、破裂應是沖刷腐蝕和空泡腐蝕共同作用的結果。

5 2021年4月檢修情況

根據以往管束泄漏和舊設備破拆情況，選定進料口兩側和中間泄漏區域管束進行電渦流抽查。

本次共抽檢換熱管166根，檢測結果壁厚損失大于60%換熱管共11根；壁厚損失50%～60%管束共5根；壁厚損失40%～50%管束共11根，壁厚損失30%～40%管束共20根，壁厚損失小于30%管束共119根，減薄區域均位于換熱器進料兩側。上水試漏發現泄漏管束64根，漏點主要集中在進料口兩側及東側進料第4排。

使用內窺鏡對東側和西側進料口第一排管束進行觀察，發現泄漏點位置在從上管板往下7020～7070mm處，換熱器管束總長度7275mm，漏點均在換熱器下部兩側進料口部位，且管束已被沖刷斷裂，與破拆情況一致。使用內窺鏡對進料第4排泄漏管束進行觀察，發現泄漏大部分集中在上管板下部4900mm處，低于理論汽化點位位置，根據破拆情況，判斷此處泄漏原因為物料汽化造成管束空泡腐蝕泄漏。

6 工藝參數分析

進料汽化器管程是脫氫反應產物粗苯乙烯、烴類和水，含少量的H2、CO2的混合物，介質正常工況下為全氣態，對管束內壁不存在酸性腐蝕。殼程是乙苯和蒸汽混合物，從取樣分析來看，腐蝕產物中主要是C、O、Fe，腐蝕性元素很少，腐蝕性輕微。但是殼程進料乙苯與水形成共沸進入換熱器后，由于流體中夾雜著大量的氣泡，受到管束內熱介質的加熱，溫度升高，壓力增大，造成流體中的氣體溢出加速，流體速度加快，在入口附近對管束外表面形成較大的沖擊。同時氣泡與高溫的管束接觸后發生破裂，又不斷沖擊管束。受防沖桿及折流板的阻擋，物料在流動過程中，在管束局部區域產生渦流，伴隨氣泡的迅速生成和破滅，對管束同時造成沖刷和空泡腐蝕導致管束泄漏。直到殼程物料溫度達到122.5℃，氣相分率達到100%，物料全部汽化，腐蝕速率降低。

7 改進措施

（1）加強日常工藝紀律管理，脫氫反應單元升降負荷操作應少量多次，確保進料負荷平穩調整。嚴格監控三聯換熱器管程出口溫度變化，出現異常下降及時取樣分析，確定泄漏及時組織處理，防止泄漏管束斷裂后造成更多管束損傷泄漏。

（2）脫氫反應催化劑一般使用周期為24～30個月，建議每次在換劑窗口期對三聯換熱器殼程進行上水試漏，發現管束泄漏及時堵管消除隱患。對泄漏管束區域進行電渦流檢測，對發現減薄超過50%管束進行預防性堵管。對進料管口防沖桿兩側區域進行預防性堵管。

（3）升級換熱管材質，由原SA 179材質升級至耐磨性能更好的SA213t22材質。此方案在國內某些苯乙烯裝置已應用，目前運行穩定，管束未發生泄漏情況。

（4）根據GB/T 30579-2014氣蝕防護措施中描述，可通過降低流速來有效降低氣蝕損傷。

方案一：在進料預熱器E-2201前再增加一臺乙苯汽化器，乙苯和水蒸氣混合物先進入乙苯汽化器進行過熱，形成飽和氣體后再進入進料預熱器E-2201中繼續加熱，這就很大程度上降低了乙苯和水蒸氣混合物在進料預熱器E-2201中的空泡腐蝕情況，此方案還應當考慮三聯換熱器熱平衡和應力平衡等問題，改造工程量較大。

方案二：對進料預熱器E-2201進料形式進行改造，可將原設計的對向兩側進料改為環向進料，降低進料流速。同時對進料口防沖檔桿和折流板形式進行改造，此改造方案施工量較小，可執行性較強。

通過對苯乙烯裝置三聯換熱器E-2201管束泄漏原因分析和相應的改進措施，消除了管束泄漏隱患，延長了設備使用壽命，從而達到裝置安、穩、長、滿、優運行目的。