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(chǎn)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(yè)[1],但換熱管束的開裂、泄漏在煉化企業(yè)中經(jīng)常發(fā)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(wěn)定引發(fā)了管束振動,在振動和腐蝕的聯(lián)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(fā)現(xiàn)換熱管外表面所處介質(zhì)環(huán)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(fā)現(xiàn)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(zhì),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(fā)生泄漏,堵管22根,2020年6月3日,該換熱器再次發(fā)生泄漏,檢查發(fā)現(xiàn)17根換熱管泄漏,泄漏發(fā)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(xiàn)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(shù)見表1。

表1 E-1013換熱器的工藝參數(shù)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(fā)現(xiàn),裂紋都出現(xiàn)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(jù)GB/T 23942-2009《化學試劑 電感耦合等離子發(fā)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(zhì)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(qū))與管束焊縫附近的管束上,皆呈環(huán)向(橫向)分布,裂紋起源于管束的內(nèi)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(qū)及附近區(qū)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(huán)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(xiàn)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(huán)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(nèi)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(tài)下,氣泡和液滴不斷撞擊管束,使密集排列的管束產(chǎn)生彈性激振[5-7]。在長期振動狀態(tài)下,換熱器管束與管板連接處產(chǎn)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(zhì)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(yōu)化操作工藝

調(diào)整換熱器內(nèi)管程、殼程介質(zhì)的流動狀態(tài),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(fā)生和發(fā)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(huán)丁砜過量汽化和降解現(xiàn)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(yōu)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(nèi)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(xiàn)象;②導向板與管束使用相同材質(zhì),導向板孔徑嚴格執(zhí)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(xiàn)象發(fā)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(fā)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(fā)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(zhì)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(fā)生管束開裂及其他失效情況。