干濕聯(lián)合式蒸發(fā)空冷器管束腐蝕失效分析及預(yù)防措施

馬金偉, 張向南, 高 杰, 卜延普, 汪保衛(wèi), 李志霞

(1.甘肅藍(lán)科石化高新裝備股份有限公司, 甘肅 蘭州 730070;2.上海藍(lán)濱石化設(shè)備有限責(zé)任公司, 上海 201518)

干濕聯(lián)合式蒸發(fā)空冷器主要由預(yù)冷管束、蒸發(fā)管束、風(fēng)機(jī)組件、整體構(gòu)架、水箱及噴淋裝置等組成。其中預(yù)冷管束位于上部,采用雙金屬軋制翅片管作為傳熱元件;蒸發(fā)管束位于下部,采用熱浸鍍鋅的蛇形光管作為傳熱元件。工藝介質(zhì)首先在預(yù)冷管束內(nèi)進(jìn)行預(yù)冷降溫,主要表現(xiàn)為干態(tài)空氣條件下翅片管的翅化比高、傳熱效率高的優(yōu)勢(shì),降溫后的工藝介質(zhì)進(jìn)入蒸發(fā)管束內(nèi)進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)冷凝冷卻,主要表現(xiàn)在空氣和噴淋水條件下光管外表面水膜蒸發(fā)效率高的優(yōu)勢(shì)。設(shè)備整體具有散熱力強(qiáng)、結(jié)構(gòu)緊湊、布置空間小、操作費(fèi)用低、滿足冬季停水運(yùn)行等要求,已廣泛應(yīng)用于煉油、化工、電力、冶金等行業(yè)。

在沿海地區(qū)石油化工企業(yè)使用過程中,該類型空冷器在蒸發(fā)管束U型彎管部位出現(xiàn)不同程度的腐蝕泄漏。為研究腐蝕泄漏機(jī)理,以某石腦油分餾塔頂空冷器為例進(jìn)行分析,石腦油分餾塔塔頂空冷器采用上述干濕聯(lián)合式蒸發(fā)空冷器形式,管內(nèi)介質(zhì)為石腦油分餾塔頂油氣,設(shè)計(jì)壓力1.6 MPa,操作壓力0.136 MPa,設(shè)計(jì)溫度120 ℃,進(jìn)出口操作溫度分別為87.9和67 ℃。該設(shè)備于2019年投產(chǎn)運(yùn)行,2022年蒸發(fā)管束的直管段及U形彎管部位出現(xiàn)介質(zhì)外漏,同時(shí)在設(shè)備檢修時(shí)發(fā)現(xiàn)換熱管部位表面結(jié)垢嚴(yán)重,其中左端結(jié)垢較右端嚴(yán)重。針對(duì)該形式空冷器換熱管發(fā)生腐蝕泄漏問題進(jìn)行了檢測(cè)與分析[1-5]。

1 蒸發(fā)管束宏觀腐蝕形貌檢查

蒸發(fā)管束的U形彎管腐蝕嚴(yán)重的部位防腐層已經(jīng)被破壞,管表面覆蓋一層腐蝕產(chǎn)物,部分金屬表面裸露于空氣中,部分表面泛有藍(lán)色,見圖1(a)。換熱管部位表面結(jié)垢嚴(yán)重,其中左端結(jié)垢較右端嚴(yán)重,用高壓水槍沖洗管束結(jié)垢部位,管束覆蓋垢層被沖洗掉后,出現(xiàn)部分孔洞見圖1(b)。

圖1 管束現(xiàn)場(chǎng)情況

由于泄漏的典型部位U形彎管取樣困難,在進(jìn)口管箱的管板背部換熱管的直管段泄漏部位切取2段長(zhǎng)度為450 mm的管子,管子尺寸為φ32 mm×2.5 mm,管束頂部的腐蝕情況比背面嚴(yán)重,管外壁正面上存在密集深度不一的腐蝕坑。管頭部位的管外壁表面腐蝕產(chǎn)物已剝落,管壁的壁厚有不同程度的減薄,其中1號(hào)樣品最薄部位的壁厚為1.2 mm,2號(hào)樣品最薄部位的壁厚為 1.6 mm。管內(nèi)壁表面光滑未發(fā)現(xiàn)腐蝕、結(jié)垢等現(xiàn)象,見圖2。

圖2 樣品位置與端面腐蝕結(jié)垢照片

2 分析檢測(cè)

綜合考慮現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境,對(duì)現(xiàn)場(chǎng)空冷器噴淋水水質(zhì)進(jìn)行化驗(yàn)分析,并對(duì)取樣試件進(jìn)行低倍檢查、非金屬夾雜物、晶粒度、顯微組織、化學(xué)成分、金相及力學(xué)性能等分析,綜合分析腐蝕原因。

2.1 水質(zhì)分析

對(duì)現(xiàn)場(chǎng)空冷器噴淋循環(huán)水水質(zhì)進(jìn)行分析,水質(zhì)分析結(jié)果見表1。

表1 水質(zhì)分析結(jié)果

2.2 化學(xué)成分測(cè)試

該空冷器蒸發(fā)管束換熱管選用10號(hào)材質(zhì),依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 4336—2016《碳素鋼和中低合金鋼 多元素含量的測(cè)定 火花放電原子發(fā)射光譜法(常規(guī)法)》對(duì)管束進(jìn)行化學(xué)成分檢測(cè),結(jié)果顯示換熱管材質(zhì)符合標(biāo)準(zhǔn)要求,見表2。

表2 化學(xué)成分分析結(jié)果 w,%

2.3 力學(xué)性能試驗(yàn)

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 242—2007《金屬管 擴(kuò)口試驗(yàn)方法》及GB/T 246—2007《金屬管 壓扁試驗(yàn)方法》對(duì)管束進(jìn)行擴(kuò)口、壓扁試驗(yàn),結(jié)果表明1號(hào)、2號(hào)試樣均未發(fā)現(xiàn)裂紋或裂口。

2.4 金相檢驗(yàn)

依據(jù)GB/T 10561—2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測(cè)定》進(jìn)行非金屬夾雜物的評(píng)級(jí),結(jié)果級(jí)別均為:A0.0,B0.0,C0.0,D0.5,Ds0.0,未見明顯非金屬夾雜物;依據(jù)GB/T 6394—2017《金屬平均晶粒度測(cè)定方法》對(duì)試樣進(jìn)行晶粒度檢驗(yàn),鐵素體晶粒度均為9.0級(jí)。

依據(jù)GB/T 13298—2015《金屬顯微組織檢驗(yàn)方法》,對(duì)試樣進(jìn)行金相顯微組織檢驗(yàn),檢測(cè)面垂直于管子的軸線。管子顯微組織均為鐵素體+珠光體,未發(fā)現(xiàn)過熱過燒現(xiàn)象,鐵素體形態(tài)未見明顯針狀,管子內(nèi)壁未發(fā)現(xiàn)脫碳現(xiàn)象,管外壁有輕微的脫碳。

2.5 腐蝕形貌及腐蝕產(chǎn)物分析

利用掃描電鏡(SEM)觀察點(diǎn)蝕孔洞的微觀形貌,孔洞的邊緣地帶周邊有大量的腐蝕產(chǎn)物,孔洞邊緣較尖銳,說明腐蝕是從管外壁開始,SEM照片見圖3;對(duì)點(diǎn)蝕孔洞周邊的腐蝕產(chǎn)物隨機(jī)選取2處進(jìn)行能譜分析,結(jié)果表明,腐蝕產(chǎn)物主要是Fe,O,Cl等元素,能譜分析見圖4。

圖3 腐蝕形貌照片

圖4 腐蝕產(chǎn)物EDS分析

3 腐蝕原因分析

宏觀檢查結(jié)果顯示:空冷器蒸發(fā)管束外表面存在一層腐蝕產(chǎn)物,并有部分浸鋅層存在,換熱管頂部存在密集的點(diǎn)蝕坑,底部由于換熱管遮擋,存在少量的點(diǎn)蝕坑;U形彎管的管束外表面發(fā)生嚴(yán)重銹蝕,并存在穿透的腐蝕孔洞。

通過對(duì)空冷器現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行情況調(diào)研分析發(fā)現(xiàn),管束腐蝕主要發(fā)生在蒸發(fā)段噴淋水無法覆蓋或覆蓋不均勻的區(qū)域,導(dǎo)致?lián)Q熱管外壁溫度較高,且存在干、濕交替情況,易造成噴淋水中含有大量腐蝕性成分的雜質(zhì)、粉塵等在此沉積,形成垢層,進(jìn)而引起氧的濃度梯度,導(dǎo)致濃差腐蝕,破壞換熱管表面的防腐鋅層,使管束腐蝕速率加快,造成嚴(yán)重的局部腐蝕;對(duì)于噴淋水能夠覆蓋且噴淋均勻的區(qū)域,由于換熱管外噴淋水處于流動(dòng)沖刷狀態(tài),換熱管外壁溫度較低,噴淋水中的雜質(zhì)、粉塵等成分較難在換熱管外表面沉積,不易發(fā)生腐蝕。

噴淋水水質(zhì)報(bào)告分析結(jié)果表明:空冷水的水質(zhì)呈弱堿性,并且存在一定含量的氯離子,從而形成電解質(zhì)溶液,碳鋼在這種弱堿性含氯離子的潮濕環(huán)境中易發(fā)生電化學(xué)腐蝕,主要腐蝕類型為吸氧腐蝕和點(diǎn)腐蝕。

其中吸氧腐蝕是指空氣里的氧氣溶解于金屬表面水膜中而發(fā)生的電化學(xué)腐蝕,電極反應(yīng)式如下:

(1)

(2)

(3)

點(diǎn)腐蝕是指集中在金屬表面很小的范圍,能夠深入到金屬內(nèi)部的腐蝕形態(tài),通常在有氧化皮和縫隙的地方最易出現(xiàn)。

環(huán)境因素分析:該空冷器使用的地區(qū)屬于沿海地區(qū),由于大氣環(huán)境中含有氧氣、水蒸氣及氯化物鹽的污染物等,其中含有的氯離子穿透金屬表面的氧化層和防護(hù)層與內(nèi)部金屬發(fā)生電化學(xué)反應(yīng),而且氯離子含有一定的水合能,易被吸附在金屬表面的孔隙、裂縫,排擠并取代氧化層中的氧,把不溶性的氧化物變成可溶性的氯化物,使鈍化態(tài)表面變成活潑態(tài)表面,發(fā)生鹽霧腐蝕;同時(shí)空氣中的腐蝕成分易造成噴淋水水質(zhì)變差,經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間循環(huán)導(dǎo)致噴淋水中腐蝕成分濃縮,發(fā)生腐蝕。

化學(xué)分析結(jié)果表明,空冷器蒸發(fā)段換熱管使用材質(zhì)符合GB 9948—2013《石油裂化用無縫鋼管》中對(duì)10號(hào)化學(xué)成分的要求;低倍、壓扁擴(kuò)口、金相組織、非金屬夾雜物、晶粒度檢驗(yàn)結(jié)果均正常,未見晶粒粗大、魏氏組織等異常組織形態(tài),說明在制造過程中無過熱過燒、冷速過大現(xiàn)象,與管束發(fā)生腐蝕無關(guān);掃描電鏡觀察發(fā)現(xiàn),孔洞邊緣較尖銳,說明腐蝕是從管外壁開始;能譜分析結(jié)果表明,發(fā)現(xiàn)腐蝕產(chǎn)物主要是Fe,O,Cl等元素。

綜上所述,該形式空冷器換熱管束發(fā)生腐蝕泄漏的主要原因是:噴淋水噴淋不均勻時(shí)管束溫度較高,環(huán)境中的鹽霧、鹽分和粉塵等物質(zhì)沉積于換熱管外表面,在外表面結(jié)垢導(dǎo)致濃差腐蝕破壞管束表面的防腐層,此外在含有氯離子的潮濕弱堿性環(huán)境中發(fā)生電化學(xué)腐蝕(吸氧腐蝕和點(diǎn)腐蝕),導(dǎo)致腐蝕加劇,直至管束表面腐蝕破壞發(fā)生泄漏[6-9]。

4 腐蝕防護(hù)建議措施

根據(jù)目前裝置的運(yùn)行情況及腐蝕情況分析,換熱管束表面腐蝕破壞發(fā)生泄漏的主要原因是濃差腐蝕和電化學(xué)腐蝕。通過研究提出以下防護(hù)措施[10-11]:

(1)換熱管U形彎管設(shè)計(jì)應(yīng)考慮外伸長(zhǎng)度,保證管束能夠完全被噴淋水覆蓋,同時(shí)對(duì)噴淋用噴頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),確保單個(gè)噴頭噴淋量滿足要求的同時(shí)增大噴淋面積;

(2)在換熱管U形彎管處噴涂防腐涂料。采用附著力好、易噴涂、抗氯化物腐蝕能力好、耐溫差變化大、疏水性防腐涂料,有效提高易發(fā)生腐蝕管段的耐腐蝕性能;

(3)確保空冷器碳鋼管束在整體熱浸鍍鋅防腐處理時(shí),表面鋅層覆蓋均勻,防止漏鋅,同時(shí)保持鋅層厚度不小于100 μm;

(4)對(duì)蒸發(fā)空冷噴淋水水質(zhì)定期取樣監(jiān)測(cè),定期進(jìn)行排污置換,對(duì)噴淋水池中的沉積物及時(shí)清理,有效控制噴淋水中腐蝕性成分的濃度;

(5)設(shè)備停工檢修期間,及時(shí)對(duì)空冷器換熱管外表面的腐蝕垢層進(jìn)行清理,并對(duì)垢層下?lián)Q熱管表面進(jìn)行檢測(cè),及時(shí)對(duì)防腐層破壞部分進(jìn)行打磨修補(bǔ),對(duì)存在隱患的換熱管進(jìn)行堵管處理,若檢查發(fā)現(xiàn)管束腐蝕較嚴(yán)重,建議及時(shí)更換管束,從而有效保證裝置長(zhǎng)周期安全運(yùn)行。

5 結(jié) 論

綜合分析,干濕聯(lián)合式蒸發(fā)空冷器在沿海地區(qū)使用過程中經(jīng)常發(fā)生腐蝕泄漏的主要原因是噴淋水噴淋不均勻?qū)е聯(lián)Q熱管外表面出現(xiàn)腐蝕垢層且長(zhǎng)期處于鹽霧腐蝕環(huán)境,造成換熱管外表面發(fā)生濃差腐蝕和電化學(xué)腐蝕,多種腐蝕因素耦合,導(dǎo)致?lián)Q熱管腐蝕穿孔泄漏。建議設(shè)備廠家在前期設(shè)計(jì)制造中優(yōu)化設(shè)備管束結(jié)構(gòu)、噴淋水系統(tǒng)及防腐方案,有效提高設(shè)備可靠性;同時(shí)建議用戶對(duì)設(shè)備運(yùn)行環(huán)境及運(yùn)行情況實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),確保設(shè)備安全、可控運(yùn)行。