汽化塔汽化器失效分析

任國棟

摘 要：本文通過對汽化器泄露分析，得出氯硅烷的介質(zhì)的失效模式，并提供了關(guān)于失效分析的基本思路，提出了使用過程中的注意事項，為今后使用單位的生產(chǎn)安全提供了技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞：汽化器;泄露;氯硅烷;失效模式

汽化塔汽化器是用來將塔內(nèi)的氯硅烷加熱到蒸氣態(tài)，然后由塔頂經(jīng)T903分離后輸送到三氯氫硅和四氯化硅相應(yīng)的儲罐中，進(jìn)行下一步的工藝合成。汽化器E922與汽化塔T903是連通器，上下封頭及換熱管里面充滿氯硅烷，殼程外面的蒸汽對管程內(nèi)部的物料進(jìn)行加熱，加熱后的物料以氣態(tài)的形式由汽化塔上封頭出口輸出到精餾塔T904，氣態(tài)的氯硅烷通過精餾塔T904進(jìn)行分離，分離出來的三氯氫硅和四氯化硅經(jīng)冷卻后分別存入相應(yīng)的儲罐中。2013年8月，某公司購買E922汽化塔汽化器。2013年12月安裝完畢并進(jìn)行整體試壓。2014年1月開始運行，開車運行約10天后，由于工藝調(diào)試而停車。同年6月開車，負(fù)荷約3%。直到2014年12月，發(fā)現(xiàn)第一臺E0413泄漏，隨后發(fā)現(xiàn)E922升壓異常，一個月后打開E922換熱器封頭，發(fā)現(xiàn)換熱管被水解產(chǎn)物堵塞，因此，才發(fā)現(xiàn)汽化器存在泄漏問題。

1 壓力容器宏觀檢查

1.1換熱管檢查

通過對換熱管進(jìn)行宏觀檢查，發(fā)現(xiàn)換熱管已經(jīng)生銹，換熱管內(nèi)部充滿產(chǎn)物已經(jīng)堵死換熱管;換熱管蒸汽入口未見任何附作物，而在冷凝水出口側(cè)有較多腐蝕產(chǎn)物附著在換熱管上。換熱管外表面有較多腐蝕小坑，小孔，有的已經(jīng)完全穿孔。部分換熱管內(nèi)表面局部區(qū)域有少量的小孔，小坑;而有些換熱管內(nèi)表面有大量的蝕孔、小坑。換熱管與折流板應(yīng)該存在縫隙腐蝕，但實際過程中縫隙腐蝕并不明顯，說明：（1）蒸汽介質(zhì)比較干凈;（2）使用時間不夠長。

1.2管板檢查

高溫側(cè)管板局部腐蝕形成凹面，凹陷深度約2mm。焊縫余高已經(jīng)完全腐蝕，換熱管與管板已經(jīng)剝離。

冷凝水出口側(cè)的管板已經(jīng)腐蝕，主要表現(xiàn)在換熱管減薄嚴(yán)重，表現(xiàn)為全面減薄，最薄部位約1mm。

2 理化及無損檢測

2.1管板密封焊無損檢測

對管板部位按照出廠資料里面的檢測部位進(jìn)行檢測，未見相關(guān)顯示，但局部地方強度焊焊縫已經(jīng)徹底腐蝕掉了，只剩下管子和管板，沒有焊縫了。

2.2換熱管滲透檢測

通過對換熱管內(nèi)壁和外壁進(jìn)行滲透檢測，未發(fā)現(xiàn)裂紋，但有腐蝕坑和連續(xù)的點狀腐蝕。說明：換熱管不存在應(yīng)力腐蝕開裂。

3 換熱管泄漏分析

3.1夾雜物檢測

將對3個有腐蝕穿孔的換熱管打磨拋光，放大100倍進(jìn)行夾雜物觀察，未見明顯夾雜物。

3.2金相檢驗

將對3個有腐蝕穿孔的換熱管進(jìn)行金相檢驗，除正常的奧氏體組織和少量的孿晶外，未發(fā)現(xiàn)其他相，組織為奧氏體+少量孿晶，符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

3.3換熱管外部掃描電鏡檢查

將兩個不同換熱管制樣進(jìn)行電鏡檢查，發(fā)現(xiàn)有較多的腐蝕孔，腐蝕孔周邊有相互毗連的小腐蝕孔，表面的氧化鉻保護膜已經(jīng)破壞。腐蝕特征符合氯離子腐蝕形貌的特征，腐蝕孔里附著了較多腐蝕產(chǎn)物。經(jīng)能譜檢測均發(fā)現(xiàn)有CL元素。

3.6換熱管外部腐蝕產(chǎn)物能譜分析

通過能譜檢測可以發(fā)現(xiàn)，內(nèi)部CL元素，S元素含量較高，其中CL原素對不銹鋼腐蝕起到?jīng)Q定性的作用。但是，S元素的來源可能是來自外界雨水。

3.7換熱管內(nèi)部電鏡及能譜分析

取未水解的“干凈”換熱管刨開進(jìn)行內(nèi)部電鏡及能譜檢測，發(fā)現(xiàn)具有點蝕現(xiàn)象，且腐蝕產(chǎn)物較多，點蝕特征符合氯離子腐蝕特點。經(jīng)能譜分析，且CL元素，S元素，硅元素含量較高。其中CL元素會發(fā)生點蝕現(xiàn)象。

由換熱管內(nèi)外能譜圖對比可以發(fā)現(xiàn)，內(nèi)部CL元素較高，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于外部的CL元素含量，由此可以斷定，CL元素是內(nèi)部產(chǎn)生的。因此，換熱管由內(nèi)到外腐蝕穿孔的現(xiàn)象便得到了解釋。

3.8 X射線衍射分析

1號樣品為換熱管外附著的產(chǎn)物，且潮濕，且氯化鐵的含量最高，說明在泄漏發(fā)生后，被水解產(chǎn)物覆蓋形成酸性條件下的垢下腐蝕，經(jīng)長時間的腐蝕，里面的氯化鐵含量自然是很高，這樣腐蝕產(chǎn)物的結(jié)論相一致。

2號樣品為碳鋼殼體上面附著的鐵渣碎片，經(jīng)分析，發(fā)現(xiàn)里面的氯化鐵含量已經(jīng)達(dá)到最高，說明該部位位于強酸性的環(huán)境下形成的腐蝕，這說明泄漏發(fā)生后，物料氯硅烷與水反應(yīng)生成的HCL溶于水形成酸性較強的鹽酸，碳鋼殼體與鹽酸反應(yīng)導(dǎo)致的產(chǎn)物。且碳鋼殼體發(fā)生嚴(yán)重減薄也是由于鹽酸腐蝕造成的。

3號試樣為干燥的附著于換熱管外壁的淺黃色粉末，說明是最先發(fā)生水解時的狀態(tài)。

4 失效分析

4.1換熱器泄漏部位的確定

通過對換熱管的逐一檢查，發(fā)現(xiàn)換熱管的腐蝕孔是由內(nèi)壁到外壁腐蝕穿孔的。而氯硅烷物料中并不含有鹵素元素，特別是游離態(tài)的氯元素或者氯離子。這是由于殼程的水蒸汽進(jìn)入到了管箱內(nèi)造成的水解反應(yīng)而生成白色的SiO2絮狀物。上封頭管板有大量的絮狀物附著在管板，且局部較厚，而下封頭沒有絮狀物附著，說明，蒸汽是由上封頭管板泄露到管箱內(nèi)造成化學(xué)反應(yīng)的。白色絮狀物為SiO2的水合物。

4.3.2泄露點的查找及驗證

通過對換熱器上下兩管板及脹接焊縫進(jìn)行滲透檢測，管板本體及強度焊焊縫均未發(fā)現(xiàn)缺陷。通過上封頭管板的宏觀形貌發(fā)現(xiàn)，有局部一小部分強度焊焊縫已經(jīng)被完全腐蝕掉了。腐蝕區(qū)域可以看到，強度焊焊縫已經(jīng)徹底腐蝕掉了，換熱管端部已經(jīng)與管板分離。

4.4強度焊焊縫腐蝕成因分析

由于水進(jìn)入管箱發(fā)生反應(yīng)生成SiO2和鹽酸，因此管箱內(nèi)覆蓋到管板上，生成的鹽酸，鹽酸由上管箱沿著管程內(nèi)部進(jìn)入到下管箱，因此下管箱在立式的狀態(tài)下鹽酸含量非常高。隨后發(fā)現(xiàn)泄漏后從裝置上拆下來放到平地上。此時，上封頭管板SiO2覆蓋部位存在垢下腐蝕，經(jīng)過約2年的時間，強度焊焊縫被完全腐蝕掉了。其他地方SiO2覆蓋區(qū)域較淺，水汽容易蒸發(fā)，因此沒有覆蓋層厚的地方腐蝕嚴(yán)重。該部分焊縫腐蝕完畢，且管板SiO2覆蓋范圍內(nèi)已經(jīng)腐蝕，管板內(nèi)凹，是由于水解后的白色絮狀二氧化硅附著在管板上，且較厚，在酸性條件下形成垢下腐蝕，因此局部腐蝕內(nèi)凹，內(nèi)凹深度約2mm。

4.5管束端全面腐蝕成因分析

拆裝下來的換熱器存放于廢料場，未經(jīng)任何處理，換熱管依舊處于強酸的腐蝕中，當(dāng)PH值低時（在強酸溶液中），金屬易發(fā)生嚴(yán)重的全面腐蝕，而不是點蝕。因此，在管板處換熱管全面減薄剩余壁厚不到1mm，有的地方已經(jīng)壁厚已經(jīng)完全腐蝕完畢，是由泄漏以后形成的強酸環(huán)境下造成的，并非最初的泄漏。

4.6換熱管強度焊焊縫泄漏原因分析

4.6.1強度焊焊縫存在薄弱部位

經(jīng)過工作人員的操作，局部強度焊焊縫存在薄弱部位，受應(yīng)力的影響造成開裂，導(dǎo)致泄漏。

1、換熱管管束材料的化學(xué)成分、硬度、金相組織、晶間腐蝕，固溶處理等均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，但部分換熱管晶粒度偏大，晶粒偏小，對抗晶間腐蝕有不利影響，

2、換熱管腐蝕穿孔是由于發(fā)生泄漏后遇水反應(yīng)生成鹽酸，由鹽酸長時間在管道內(nèi)部腐蝕造成的;

3、換熱器封頭壁厚、內(nèi)部缺陷，表面缺陷等均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，但換熱器封頭與法蘭焊接縫有缺陷，按照當(dāng)時檢測現(xiàn)場的試樣的情況下，其級別評定為III級。

4、換熱器筒體及封頭焊縫射線檢測結(jié)論滿足標(biāo)準(zhǔn)要求;

5、換熱管泄漏常規(guī)做法是堵管，更換換熱管代價較大，對于本壓力容器放置2年的時間來說，不具有維修價值;

6、壓力容器的設(shè)計滿足標(biāo)準(zhǔn)要求;

7、換熱器管板與換熱管連接的強度焊焊縫存在薄弱位置以及操作過程中開車-停車-開車的環(huán)節(jié)中由升溫和降溫導(dǎo)致熱應(yīng)力沖擊是主要原因。

5 建議

（1）加強強度焊焊縫探傷及焊接質(zhì)量，盡量減少焊縫存在薄弱部位。

（2）對設(shè)備開、停、升溫、降溫過程應(yīng)該平緩，使設(shè)備運行平穩(wěn)。