芳烴抽提裝置溶劑再生塔換熱器管束的開裂原因及優化措施

黃飛虎,高 涵,張 杰,王科林

(1.中國石油四川石化分公司,成都 611930;2.沈陽中科韋爾腐蝕控制技術有限公司,沈陽 110180)

管殼式換熱器具有制造簡單、生產成本低、清洗方便、適應性強等特點,廣泛應用于石油化工企業[1],但換熱管束的開裂、泄漏在煉化企業中經常發生,近年來關于換熱器管束失效原因的報道也越來越多。謝光偉[2]對重沸器管束的泄漏原因進行分析,認為紊流抖動和流體彈性不穩定引發了管束振動,在振動和腐蝕的聯合作用下管束泄漏。李輝輝等[3]對某煉油廠重催裝置分餾塔頂換熱器管束的失效原因進行了分析,發現換熱管外表面所處介質環境中的高含量腐蝕性離子(Cl-和S2-)是導致管束失效的主要原因。陸翔等[4]通過分析雙相不銹鋼換熱器管束的穿孔原因,發現換熱管束在冷拔成型過程中析出富鉻α相,導致管束耐蝕性降低,殼程工藝氣中存在多種腐蝕性介質,最終導致管束減薄甚至穿孔。

2020年4月20日,四川石化芳烴抽提裝置溶劑再生塔E-1013換熱器管束發生泄漏,堵管22根,2020年6月3日,該換熱器再次發生泄漏,檢查發現17根換熱管泄漏,泄漏發生在管端與管板角焊縫背面,距換熱管端面5～10 mm,如圖1所示,且開裂換熱管全部位于U 型換熱管束的上半管箱,即蒸汽入口側,蒸汽出口側換熱管完好且無裂紋。另外,換熱器折流板與管束之間的間隙均有不同程度的變大,原裝配間隙小于1 mm,現間隙3～8 mm。該換熱器采用2.2 MPa蒸汽作為加熱源,通過凝水量控制加熱量,部分工藝參數見表1。

表1 E-1013換熱器的工藝參數Tab.1 Process parameters of E-1013 heat exchanger

圖1 換熱管的泄漏位置Fig.1 Leakage position of the heat exchange tube

1 理化檢驗與結果

1.1 宏觀形貌

觀察管束開裂位置形貌發現,裂紋都出現在同一個位置,即管束與管板的焊縫處附近,管束開裂處沒有明顯的塑性變形,為脆性斷口,見圖2。

圖2 開裂位置的宏觀形貌Fig.2 Macro morphology at the crack location

1.2 化學成分

從開裂管束上取樣,依據GB/T 23942-2009《化學試劑 電感耦合等離子發射光譜法通則》,采用光譜儀等對其化學成分進行分析。由表2可見 ,換熱器管束材質化學成分基本符合S31803雙相不銹鋼的標準要求。

表2 開裂管束的化學成分Tab.2 Chemical composition of the cracked tube bundles

1.3 顯微組織及能譜分析

由圖3可見,管束的顯微組織為奧氏體+鐵素體的雙相,裂紋都集中于管板(堆焊區)與管束焊縫附近的管束上,皆呈環向(橫向)分布,裂紋起源于管束的內壁或外壁,且裂紋較為平直,分叉很少,穿晶擴展。管板與管束的焊縫區及附近區域應力集中程度較為嚴重,管束疲勞斷裂的跡象較為明顯,見圖4。

圖3 管束開裂處和裂紋附近的微觀形貌Fig.3 Micro morphology of the tube at（a）and near（b）the crack

圖4 管束與管板焊縫處的顯微組織Fig.4 Micro structure of welds between tube and tubesheet：（a）high enlagred view；（b）low enlarged view

SEM 結果表明,管束開裂處存在疲勞斷裂的“海灘狀”弧線,見圖5。對斷口左、右兩側進行能譜分析,取樣位置見圖6。EDS結果表明,斷口上僅有部分C元素(環丁砜等有機物殘留)、O 元素(停工后管束斷口的鐵被空氣氧化),未檢測出Cl、S等腐蝕性元素,如表3所示。

表3 斷口EDS分析結果Tab.3 EDS analysis results of the fracture element

圖5 管束開裂處的SEM 形貌Fig.5 SEM morphology of tube at the crack location

圖6 EDS分析位置Fig.6 Analysis location of EDS：（a）left side of fracture；（b）right side of fracture

2 失效原因分析

綜合上述結果,換熱器管束的斷裂大都出現在管束與管板連接的焊縫處附近,管束具有疲勞斷裂的特征。

在換熱器將環丁砜汽化進而提純的過程中,加熱器溫度越高,汽化量越大。隨汽化量急增,流速增加,受設備結構的影響,當氣流在狹小空間內高速運動時不能及時擴散且受阻擋形成渦流振動;在汽液共存狀態下,氣泡和液滴不斷撞擊管束,使密集排列的管束產生彈性激振[5-7]。在長期振動狀態下,換熱器管束與管板連接處產生疲勞裂紋,最終導致管束疲勞開裂、泄漏。E-1013換熱器入口端溫度較出口端溫度高,故介質汽化量大,振動強度也相對較高,導致U 型換熱管束開裂部位集中于上半管箱,即蒸汽入口側。

此外,由于管束與管板的連接屬于幾何形狀突變,因此連接方式和焊后熱處理不當、溫差應力、管束與管板材料差異等情況不可避免,這使得管束與管板連接處存在較大的殘余應力[8-10]。同時,由于折流板與換熱管之間的間隙逐漸變大,換熱管振幅變大,間接使管端應力增加,這加速了疲勞開裂進程。

3 應對措施

3.1 優化操作工藝

調整換熱器內管程、殼程介質的流動狀態,減少流體流動對管束、管板及焊縫處形成的振動交變載荷作用,防止疲勞斷裂的發生和發展,具體如下:控制塔的操作溫度,按照防腐導則要求,將再生塔底的操作溫度降低到180℃以下;控制蒸汽進出口溫度,避免環丁砜過量汽化和降解現象。

3.2 選用304以上牌號的奧氏體不銹鋼

雙相鋼耐應力腐蝕開裂性能優越,但在加工制造、焊接控制方面存在較多缺陷。奧氏體不銹鋼焊接性能良好,且近10 a國內芳烴抽提裝置再生塔再沸器管束普遍使用奧氏體不銹鋼,應用技術成熟。需注意采取如下措施:①完善制造加工工藝,采用“貼脹+強度脹+密封焊”工藝,避免管板縫隙腐蝕現象;②導向板與管束使用相同材質,導向板孔徑嚴格執行換熱器制造加工工藝,避免孔徑過大,管束(彎管)采取相應措施進行固定,避免振動現象發生;③對換熱器管芯整體進行熱處理,消除管板處焊接熱應力以及脹接殘余應力。

4 結 論

該換熱器管束發生開裂的原因如下:E-1013換熱器管束與管板的焊接處因局部應力集中,在振動交變載荷作用下,發生了疲勞開裂。通過控制再生塔操作溫度、換熱器管束進出口溫度及選用304以上牌號的奧氏體不銹鋼材質等措施,可有效抑制管束疲勞開裂。實踐證明,該換熱器在采取新措施后,已正常運行超過513 d,未發生管束開裂及其他失效情況。