莫燁強(qiáng)，孫 亮，侯艷宏，歐陽健，譚 磊，唐 柳

(1 沈陽中科韋爾腐蝕控制技術(shù)有限公司，遼寧 沈陽 110180；2 中海油惠州煉油公司，廣東 惠州 516082)

?

化工機(jī)械

煉廠換熱器腐蝕失效案例統(tǒng)計(jì)分析

莫燁強(qiáng)1，孫 亮2，侯艷宏2，歐陽健2，譚 磊1，唐 柳1

(1 沈陽中科韋爾腐蝕控制技術(shù)有限公司，遼寧 沈陽 110180；2 中海油惠州煉油公司，廣東 惠州 516082)

通過對(duì)煉制高酸原油常見的碳鋼、不銹鋼、雙相鋼、低合金鋼、內(nèi)襯鈦材料的換熱器設(shè)備出現(xiàn)的腐蝕失效案例進(jìn)行腐蝕現(xiàn)象總結(jié)、并對(duì)其腐蝕原因進(jìn)行歸納和分析。腐蝕總結(jié)結(jié)果顯示，出現(xiàn)局部腐蝕的現(xiàn)象最突出是主要為碳鋼材質(zhì)的換熱器，腐蝕出現(xiàn)比例占了全部腐蝕案例的63%；腐蝕現(xiàn)場(chǎng)歸納結(jié)果表明，換熱器常出現(xiàn)的腐蝕部位為管束及管口的位置為主；腐蝕分析結(jié)果表明由于制造工藝導(dǎo)致的裂紋及焊縫缺陷的問題較嚴(yán)重。

煉廠；換熱器；腐蝕失效；統(tǒng)計(jì)

換熱器(亦稱熱交換設(shè)備)是石油行業(yè)中廣泛應(yīng)用的熱量交換設(shè)備，它不僅可以單獨(dú)作為加熱器、冷卻器使用，還可以作為一些化工產(chǎn)品的重要生產(chǎn)設(shè)備，是煉油企業(yè)等重要的節(jié)能設(shè)備之一，在生產(chǎn)中占有重要地位。一般來說，換熱器主要是由管箱、管板、殼程和殼體，換熱管等關(guān)鍵部件組成[1-4]。

隨著國內(nèi)重質(zhì)油加工比例的越來越大，煉廠生產(chǎn)設(shè)備服役的環(huán)境劣化，腐蝕問題也日益嚴(yán)重與復(fù)雜化，導(dǎo)致煉廠換熱器設(shè)備的安全運(yùn)行受到了前所未有的嚴(yán)峻考驗(yàn)[5]。而且煉廠換熱器的腐蝕失效的涉及的因素很多方面，故收集其腐蝕案例，并加以系統(tǒng)整理，認(rèn)真分析和研究，找出其中的規(guī)律性，為煉廠相關(guān)換熱器腐蝕防護(hù)工作奠定基礎(chǔ)。

1 換熱器腐蝕失效類型

根據(jù)結(jié)構(gòu)材料可分為金屬材料換熱器和非金屬材料換熱器，應(yīng)用在煉化行業(yè)，多為金屬材料換熱器。

通過對(duì)2011-2014年期間使用的267臺(tái)金屬換熱器進(jìn)行了腐蝕檢查，并在此基礎(chǔ)上對(duì)出現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象的38臺(tái)換熱器進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，涉及裝置有常減壓裝置，催化裂化裝置，MTBE裝置，重整催化裝置，焦化裝置，脫硫裝置，硫化回收裝置，酸性水回收裝置。

換熱器中失效類型按腐蝕現(xiàn)象分類，如圖1所示，可分為的5大類，分別為裂紋、焊縫缺陷、坑蝕、鼓包、涂層脫落。換熱器出現(xiàn)坑蝕現(xiàn)象最多，占了總腐蝕案例的63%，其次是在出入管及管板，焊口部位產(chǎn)生裂紋而導(dǎo)致?lián)Q熱器失效的占16%，出現(xiàn)缺陷的現(xiàn)象占10%，出現(xiàn)鼓包現(xiàn)象的占3%，管束涂層脫落的占8%。

圖1 換熱器失效類型分布圖

對(duì)換熱器出現(xiàn)腐蝕的部位進(jìn)行歸納，可以清楚看到換熱器腐蝕常發(fā)生在管束、管口、管板、筒體及管箱五大部位，如圖2所示。其中發(fā)生在管束上的腐蝕最突出，占了腐蝕案例的37%，其次為管口腐蝕的占了腐蝕案例的22%，所以換熱器在實(shí)際使用過程經(jīng)常出現(xiàn)換熱器泄漏的現(xiàn)象，這是與換熱器的管束及管口是換熱器中的薄弱環(huán)節(jié)有密切關(guān)系。

圖2 換熱器腐蝕部位分布圖

2 材料對(duì)失效形式的影響

從材料類型上看，煉廠中換熱器腐蝕失效案例中主要涉及的5種金屬材料：碳鋼、常用不銹鋼、雙相鋼、低合金鋼、內(nèi)襯鈦材料，如圖3所示。這是由于受到經(jīng)濟(jì)和技術(shù)水平的控制，材料的選擇面窄，腐蝕環(huán)境中經(jīng)常選用抗腐蝕性較差的碳鋼、低合金鋼材料。所以煉廠環(huán)境中碳鋼材質(zhì)的換熱器數(shù)量很多，導(dǎo)致其出現(xiàn)腐蝕的現(xiàn)象相對(duì)突出。

圖3 材料類型的腐蝕分布圖

2.1 碳鋼材質(zhì)

碳鋼價(jià)格相對(duì)低廉的原因，在煉廠換熱器中使用廣泛。從圖3中可以清楚看到，碳鋼材料的換熱器腐蝕占到了總腐蝕失效案例中的63%，碳鋼材質(zhì)包括10號(hào)鋼、20號(hào)鋼、兩種材料發(fā)生腐蝕失效較頻繁，是由于碳鋼材料與不銹鋼及低合金鋼相比，其材料的電位較負(fù)，所以出現(xiàn)坑蝕等局部腐蝕的比例明顯增多。

碳鋼材質(zhì)的換熱器出現(xiàn)腐蝕失效多為電化學(xué)腐蝕。但根據(jù)其接觸的腐蝕介質(zhì)來分，可分為循環(huán)水腐蝕、油品腐蝕、酸腐蝕、堿腐蝕，鹽腐蝕以及蒸汽沖刷腐蝕，如圖4所示。其中碳鋼換熱器由于循環(huán)水腐蝕而出現(xiàn)的案例最突出占總案例的37%，其次是酸腐蝕占了總案例的21%。

圖4 碳鋼換熱器的腐蝕類型分布圖

圖5 換熱器管口焊肉腐蝕形貌

催化蒸餾冷凝器管程材質(zhì)為10號(hào)鋼，管程進(jìn)出口操作溫度分別為33和43，管程介質(zhì)為循環(huán)水。在檢查中發(fā)現(xiàn)管口和管板點(diǎn)蝕深度為0.10.5 mm之間，焊肉腐蝕凹陷(如圖5所示)，管箱內(nèi)循環(huán)水結(jié)垢沉積，垢層下蝕坑深度為0.52.5 mm。日常換熱器防腐管理要注意循環(huán)水和酸性介質(zhì)的腐蝕。

2.2 不銹鋼

不銹鋼換熱器的選用在煉廠中占的比例相對(duì)碳鋼來說相對(duì)較低，多應(yīng)用在環(huán)境惡劣或者高溫部位。不銹鋼材質(zhì)的換熱器由于其抗腐蝕性能，占在失效案例中的26%，如圖3所示。

從腐蝕案例來看，不銹鋼換熱器出現(xiàn)的腐蝕類型可分為裂紋、縫隙腐蝕以及焊縫缺陷三大類，如圖6所示。出現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象的不銹鋼換熱器材料包括321材質(zhì)及316材質(zhì)，其中以316材質(zhì)的換熱器出現(xiàn)管板面邊緣縫隙腐蝕占的比例最多為20%，其次為換熱器的焊接部位存在缺陷，該類型占了不銹鋼腐蝕案例中的20%，這是由于不銹鋼換熱器的制備工藝要求高，容易在生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的制備缺陷。

圖6 不銹鋼換熱器腐蝕類型分布圖

圖7 E205A管板密封面坑蝕情況

圖7為脫鹽油-減二減一中油換熱器的腐蝕形貌。該換熱器殼體和管束材質(zhì)分別為16MnⅢ+316L 和316L；管/殼進(jìn)出口操作溫度分別為(237/207)/(135/207)。對(duì)該部位的換熱器材質(zhì)進(jìn)行檢查發(fā)現(xiàn)，換熱器兩側(cè)管板面密封面邊緣蝕坑成片，材質(zhì)鑒定其成分為ss316，但Mo含量總體偏低(Mo<2%)，導(dǎo)致高溫環(huán)烷酸沿著密封面的縫隙發(fā)生局部的腐蝕。

隨著服役的腐蝕環(huán)境更加惡劣，為了確保設(shè)備正常安全運(yùn)行，煉廠中換熱器從常用的不銹鋼材質(zhì)，升級(jí)到耐腐蝕性能更強(qiáng)的雙相鋼材料。雙相不銹鋼兼有鐵素體不銹鋼和奧氏體不銹鋼的優(yōu)點(diǎn)，它將奧氏體不銹鋼所具有的優(yōu)良韌性和焊接性與鐵素體不銹鋼所具有的較高強(qiáng)度和耐氯化物應(yīng)力腐蝕性能結(jié)合在一起，正是這些優(yōu)越的性能使雙相不銹鋼作為換熱器材料迅速發(fā)展[6-8]。

但是由于其制備工藝要求苛刻，容易發(fā)生應(yīng)力開裂的現(xiàn)象。圖8為原油-常頂循換熱器，殼程/管程操作介質(zhì)分別為原油/常頂循，殼體/管束材質(zhì)分別為16MnR/2205，管/殼進(jìn)出口操作溫度分別為(119/105)/(60/88)。在檢查中發(fā)現(xiàn)，管板面管口焊縫熱影響區(qū)域存在較多細(xì)小裂紋，部分裂紋已穿透至管口焊縫。根據(jù)不銹鋼常出現(xiàn)的腐蝕案例來看，不銹鋼的腐蝕失效大部分是由于制備工藝引起的，所以不銹鋼換熱器的使用，需要嚴(yán)格控制換熱器制備工藝這一關(guān)。

圖8 雙相鋼材質(zhì)管板裂紋形貌

2.3 低合金鋼

低合金鋼的構(gòu)件服役環(huán)境多為含硫化氫或其他富氫等工作溫度較高的環(huán)境。煉廠換熱器采用低合金鋼材質(zhì)部位的多為筒體和管束，其中筒體常用的材質(zhì)為16Mn低合金鋼，而管束常采用低合金鋼多是抗硫化氫的09Cr2AlMoRe。低合金鋼材質(zhì)換熱器的腐蝕的失效案例比例較低，才占5%。其大部分的腐蝕案例為局部腐蝕。

低合金鋼在換熱器中常出現(xiàn)的腐蝕類型為筒體分層，管口焊肉腐蝕以及筒體坑蝕，如圖9所示。其中各種類型出現(xiàn)的案例比較均勻，但與不銹鋼及碳鋼常用材質(zhì)相比，低合金鋼材料中濕硫化氫引起的氫致開裂腐蝕案例為主。

圖9 低合金鋼腐蝕類型分布圖

在催化裂解裝置吸收塔冷卻器殼程介質(zhì)為吸收塔中段油，進(jìn)口溫度為47 ℃，出口溫度為40 ℃，殼體材質(zhì)為16 MnR。管程介質(zhì)為循環(huán)水，進(jìn)口溫度28 ℃，出口溫度38 ℃。該冷卻器在日常測(cè)厚檢測(cè)中發(fā)現(xiàn)殼體剩余厚度數(shù)據(jù)偏差較大，故對(duì)出現(xiàn)偏差大的部位進(jìn)行超聲探傷檢查，測(cè)試結(jié)果如表1所示。結(jié)果表明該換熱器殼體存在明顯的分層缺陷。

表1 超聲探傷結(jié)果

這是由于低合金鋼在濕硫化氫環(huán)境中氫富集的機(jī)會(huì)較多，容易引起濕硫化氫的氫致開裂的現(xiàn)象，所以在煉廠管理中應(yīng)當(dāng)關(guān)注在濕硫化氫環(huán)境中的換熱器的監(jiān)測(cè)工作。

2.4 內(nèi)襯材料

換熱器內(nèi)襯耐腐蝕金屬材料由于其價(jià)格昂貴以及制備工藝要求高等特點(diǎn)，所以其選用與工作環(huán)境有很大關(guān)系。煉廠中使用在腐蝕環(huán)境嚴(yán)重惡劣的部位，高壓換熱器一般采用內(nèi)襯奧氏體不銹鋼，或者內(nèi)襯鈦金屬材料[9-10]。由于內(nèi)襯鈦材料的換熱器應(yīng)用較少，所以相對(duì)出現(xiàn)的腐蝕案例不突出，但是在同樣存在缺陷的問題，需要加強(qiáng)該材質(zhì)換熱器的檢查。

3 結(jié) 論

(1)在換熱器腐蝕失效案例中，常見的腐蝕部位發(fā)生在管束和管口焊肉的部位為最突出，占了腐蝕案例的59%。

(2)從材料上看，碳鋼由于使用數(shù)量多，換熱器的失效以碳鋼材質(zhì)占的比例最大。而且碳鋼材質(zhì)的換熱器中循環(huán)水腐蝕、酸腐蝕的失效現(xiàn)象占了總腐蝕案例的58%，并以坑蝕所占的比例較為明顯。因此局部腐蝕的坑蝕預(yù)防應(yīng)為防腐工作的重點(diǎn)。

(3)從制備工藝看，由于內(nèi)襯工藝及不銹鋼的焊接工藝復(fù)雜，常出現(xiàn)制造工藝不合格而造成的開裂現(xiàn)象。

[1] 宋光雄,張曉慶,常彥衍，等.壓力設(shè)備腐蝕失效案例統(tǒng)計(jì)分析[J].材料工程,2004(2):6-9.

[2] 胥聰敏,張耀亨,程光旭,等.國外煉油廠換熱設(shè)備腐蝕研究現(xiàn)狀及發(fā)展動(dòng)態(tài)[J].石油化工設(shè)備,2005,34(1):41-46.

[3] 郭江波.延長煉油廠循環(huán)水系統(tǒng)的腐蝕研究[D].西安石油大學(xué),2011.

[4] 李國柱,叢海濤,羅宗仁，等.循環(huán)水系統(tǒng)水冷設(shè)備腐蝕原因及對(duì)策[J].石油化工腐蝕與防護(hù),2003,20(5):37-38.

[5] 支浩,湯慧萍,朱紀(jì)磊，等.換熱器的研究發(fā)展現(xiàn)狀[J].化工進(jìn)展,2009,28(z1):338-342.

[6] 李衛(wèi)東,顧永干.雙相不銹鋼換熱器設(shè)計(jì)制造技術(shù)[J].壓力容器,2002,19(8):27-30.

[7] 丁全有,徐紅,陳宏偉,等.雙相不銹鋼在高壓換熱器制造中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代焊接,2011(12):34-36.

[8] 陳琦,欒廣貴,吳天明,等. 雙相不銹鋼換熱器接管管口裂紋原因分析[J]. 金屬加工(熱加工),2014(16):66-68,74.

[9] 徐勝.加氫裂化裝置高壓換熱器管束腐蝕原因分析[J].石油化工設(shè)備技術(shù),2014,35(4):45-47.

[10]師紅旗,周燦旭,丁毅,等.鈦制換熱器氫腐蝕破壞失效分析[J]. 腐蝕科學(xué)與防護(hù)技術(shù),2009,21(2):137-139.

Heat Exchanger Failure Cases Statistics Analysis in Refinery

MOYe-qiang1，SUNLiang2，HOUYan-hong2，OUYANGJian2，TANLei1，TANGLiu1

(1 Shenyang ZKwell Corrosion Control Technology Co., Ltd., Liaoning Shenyang 110180;2 CNOOC Huizhou Refinery Co., Ltd., Guangdong Huizhou 516082, China)

The corrosion cases of carbon-steel heat exchanger, stainless steel heat exchanger, dual-phase steel heat exchanger and titanium heat exchanger in the high-acid crude oil refinery were summarized and analyzed. The results showed that the carbon steel heat exchanger to localized corrosion phenomenon was most prominent, and the corrosion occurrence proportion accounted for 63% of the total corrosion case. Tubes and nozzle position were often corrosion, at the same time, the manufacturing process lead to crack and defect of the welding seam was a serious problem.

refinery; heat exchanger; corrosion; statistics

莫燁強(qiáng)，男，博士，從事石油化工設(shè)備的腐蝕監(jiān)測(cè)與檢測(cè)。

TQ174.36

A

1001-9677(2016)020-0129-03