D1809中/高壓凝液閃蒸罐故障分析及其改進

陳希銳

(中國石化儀征化纖有限責任公司BDO部，江蘇儀征 211900)

1 設備概況及發現的問題

自某公司MAH裝置開車的近幾年以來，隨著單元蒸汽系統中壓蒸汽通過D1809中/高壓凝液閃蒸罐進行閃蒸得到低壓蒸汽的處理量不斷增大，從而導致D1809罐超負荷運行，罐體出現振動明顯增強，運行噪聲明顯增大的現象。

2020年2月，通過停車進罐檢查發現D1809的N5入口管線防沖刷板脫落，并存在侵蝕穿孔的現象，同時罐體內壁也存在嚴重的沖刷腐蝕、減薄，如圖1所示。

圖1 防沖刷板受力圖

2020年9月，D1809罐的N2蒸汽入口管線內壁本體上出現減薄、穿孔，蒸汽部分泄漏，嚴重影響裝置的安全生產，隨即進行帶壓堵漏處理。

2 技術參數及工藝原理

2.1 技術參數

D1809中/高壓凝液閃蒸罐工作介質為工藝冷凝液，工作壓力0.38 MPa，工作溫度150 ℃，設計壓力0.5 MPa，設計溫度200 ℃，筒體材料Q345R。

2.2 工藝原理

利用物質的沸點隨著壓力增大而升高的基本原理，閃蒸是通過將高溫高壓的飽和液體進入較低壓的容器中后，由于壓力的突然降低使得這些飽和液體變成容器壓力下的飽和蒸汽與飽和液體。閃蒸罐就是利用上述原理工作的，但閃蒸現象是凝液經過最后一道角閥后，在管道內就瞬間發生的，而閃蒸罐的作用只是提供流體迅速汽化和氣液分離的空間。

3 故障分析

3.1 氧化膜破壞及材料除去的機理[1]

一般情況下, D1809中/高壓凝液閃蒸罐投入運行的初期，在罐體內壁和管道內壁上會形成一層氧化膜,與母體結合較緊密,能在一定程度上阻止與外界介質的接觸，抑制腐蝕。而入口管道和防沖板內壁材料卻不斷地被除去就表明在運行中必然存在對氧化膜破壞及材料除去的過程。

(1) 熱應力和活性陰離子對氧化膜的破壞作用：蒸汽和水對金屬交替作用，使管壁溫度大幅度波動，可能使母體金屬與保護性氧化膜之間產生內應力，當其達到一定溫度時，由于金屬與氧化物的導熱性和膨脹系數不同，在應力作用下就會使保護摸損傷或剝離。當介質中有某些活性陰離子(如在蒸汽給水中含氯離子時)，它們首先吸附在金屬表面的某點上，對氧化膜產生破壞作用。

(2) 氣蝕 ：腐蝕理論中氣蝕被稱為空泡腐蝕。氣蝕是電化學腐蝕和汽(氣)泡潰滅時的沖擊波對金屬聯合作用的結果。 氣蝕的常用定義是,由于流體的湍流或溫度變化,引起局部壓力下降,使溶解氣體析出或介質汽化,形成空泡。當氣泡在運動過程中因壓差而破壞時,產生沖擊波,形成微射流,壓力可達幾千大氣壓。使金屬保護膜破壞，引起金屬的局部變形,甚至將金屬粒子撕裂。膜的破口處金屬又遭腐蝕重新生成膜,若在同一點又形成氣泡,又潰滅,如此反復進行。氣蝕時,汽(氣)泡潰滅產生的沖擊波和微射流不但使氧化膜破壞,而且還會使母體材料疲勞脫落,繼而形成疏松的蜂窩狀組織、疏松的組織很容易被后繼的沖擊波或沖蝕作用除去。

(3) 沖蝕：在腐蝕理論中，把高速流體沖擊造成金屬表面材料不斷地被除去的現象稱之為湍流腐蝕。高溫高壓下汽液兩相流及三相流的沖蝕作用。沖蝕作用可以在單相液體中出現，如果第二相加入就會大大加速沖蝕作用。入口管道和罐內存在汽液兩相流,平均流速大約為20 m/s，而且隨著負荷的增加使流速進一步增大必然使沖蝕作用更劇烈。由于氣蝕，兩相流沖蝕或其它原因使腐蝕產物脫落，這些脫落的固體顆粒加入到水汽兩相流中就形成固、液、汽三相流。流體束中如果含有固體顆粒,且固體顆粒硬度大,棱角尖銳,造成表面材料損傷就會相當嚴重。根據沖蝕理論，沖蝕率與顆粒硬度的2.3次方，速度的2.3～2.5次方成正比，所以三相流的沖蝕作用也是入口管道和防沖板內壁材料除去的重要原因。

3.2 運行負荷增加

D1809中/高壓凝液閃蒸罐原設計為中壓凝液約20噸，壓力0.8 MPa，高壓凝液12噸，壓力1.0 MPa，現實際中壓凝液流量約35噸，壓力1.5 MPa,高壓凝液12噸，壓力1.0 MPa，如圖2所示。可以發現在裝置實際生產過程中，中壓凝液量及其壓力均大幅上升，超出原設計參數，而當入口管線口徑不變的情況下，流量增加意味著流速增加，對管壁以及入口管線處防沖板的剪切與沖擊也隨之增加，防沖板所受侵蝕由中部向四周發散，見圖1。

圖2 中央控制室操作面板顯示

且流體與金屬壁作高速相對運動，在金屬表面局部產生渦流或湍流，不僅會出現上述的沖刷腐蝕減薄，還會伴隨著汽泡在金屬表面迅速生成與破滅而引起氣蝕。當流速足夠大時，局部區域壓力降低，當低于液體的蒸汽壓力時，液體汽化產生汽泡，汽泡隨流體進入壓力升高的區域時，汽泡又會潰滅[2]。這一過程短時間反復發生，有著相當高的頻次與數量，汽泡潰滅時會產生很強的沖擊力，其微觀機械沖擊力強度在100～1 000 MPa之間，如同一個個細小的榔頭敲擊在金屬表面上，從而導致了管壁等處的腐蝕破壞，防沖板的焊縫也在其力的反復作用下發生疲勞破壞而脫落。

3.3 罐體材料選擇不當

D1809中/高壓凝液閃蒸罐原設計選型時未考慮到氣蝕對罐體材料的要求，選用了廣泛運用于壓力容器的Q345R材料，但其并非為耐氣蝕材料，本質為碳素鋼，抗氧化性能在現場工況下，選擇不銹鋼更為理想。因此，在運行負荷增大的工況下，材料選擇不當會加速腐蝕的影響。

4 改造措施

4.1 改變罐的體積與管口結構

由于原有D1809中/高壓凝液閃蒸罐已經不滿足工藝需求量的增加，且已存在較大的安全隱患。因此，在盡量不改變現有管線管口位置的基礎上，重新設計增大罐體體積，由原先設計的罐體直徑1 200 mm 增至1 316 mm，罐體長由3 400 mm增至4 300 mm，以適應現有工藝需求量。并且使用變徑法蘭滿足現有管線來增大入口管徑，管徑由原先的DN150增大為DN200，同時改變入口管結構，整體變為喇叭型管線入口，如圖3所示。由于單位時間內，流速與汽蝕量正相關，增加角閥后的管線容積，起到減壓、降低流體流速的效果，從而減少管壁氣蝕以及防沖板的侵蝕與疲勞。

圖3 喇叭型入口

4.2 改進防沖板結構

防沖板[3]由平板改成人字型板、分流疏導減少沖擊的同時改善運行時的噪聲情況，加厚防沖板減少其本身撓度，增加輔助拉桿防止防沖板脫落，增加筋板提高防沖板強度，如圖4所示。

圖4 人字型板

4.3 材料升級

考慮到實際工況中存在的氣蝕現象，現在選用耐氣蝕鋼作為罐體的材料[4]。有研究表明具有均勻低碳馬氏體組織的ZG0Cr13Ni4MO與ZG0Cr13Ni6MO有較好的抗氣蝕性能，國外早有把馬氏體沉淀硬化不銹鋼作為耐氣蝕材料使用的實例[2]。比如材料內較低的硫、磷含量對抗氣蝕也有一定的效果，因此確定選用S30408不銹鋼作為罐體以及防沖板的材料。

然后，根據工藝參數條件重新設計罐體體積，選擇罐體材料后，厚度計算公式為：

(1)

其中pc為設計壓力，Di為罐體內徑，[σ]t為設計溫度許用應力，φ為焊接接頭系數。帶入公式(1)得到理論計算厚度4.33 mm。考慮到設計的安全系數選擇的罐體厚度為10 mm，由此再減去0.3 mm 的負偏差，9.7 mm 的有效厚度遠遠大于理論計算厚度4.33 mm，因此，該設計滿足實際要求。

5 改造成果

系列改進措施完成后，新的D1809中/高壓凝液閃蒸罐于年后投用，運行穩定，振動明顯減弱，噪聲明顯降低，工況良好，消除了MAH裝置生產的安全隱患，保證了裝置的安全平穩運行。