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鹽水冷凝器管束泄漏原因分析及改造措施

點擊:1508 日期:[ 2014-04-26 22:21:47 ]
                            鹽水冷凝器管束泄漏原因分析及改造措施                  鄭 濤,趙 燕  (中國石油天然氣股份有限公司蘭州石化分公司合成橡膠廠,甘肅蘭州730060)   摘要:蘭州石化公司合成橡膠廠ABS樹脂生產裝置中的鹽水冷凝器,其管束原為U 形管式,換熱管材質為00Crl9Nil0不銹鋼。由于制造過程中U形彎管部位退火處理不佳,加上Cl一和硫化物的應力腐蝕,致使彎管外側出現開裂并泄漏。后來將冷凝器管束改為浮頭式,較好地解決了換熱管開裂泄漏問題。   關鍵詞:鹽水冷凝器;U 形管束;應力腐蝕,浮頭式換熱器   中圖分類號:TE965 文獻標識碼:B 文章編號:1006-8805(2007)02—0030—04     蘭州石化公司合成橡膠廠ABS樹脂生產裝置的SAN單元中,單體回收系統主要是對殘留單體及易揮發的溶劑進行脫氣并經兩級冷卻后回收。首先經過冷卻介質為循環水的脫揮冷凝器一級冷卻,然后經冷卻介質為一12℃鹽水(氯化鈉溶液,以下簡稱鹽水)的U形管冷凝器二級冷凝,回收液送到回收液罐重新參與聚合反應。經過長時間的運行,鹽水冷凝器管束尤其在U形彎曲部位出現沉積結垢及腐蝕現象,久而久之,導致U形彎曲部位管外側環向開裂而泄漏。鹽水冷凝器管束發生泄漏后,由于鹽水的壓力高于工藝介質的壓力,致使部分鹽水漏入回收液中,從而影響產品質量。其次由于工藝介質在設備和管線的內壁產生粘附物,管束泄漏后,將雜質帶人工藝介質并極易沉積于粘附物種中。當粘附物達到一定的量而影響聚合反應轉化率時,系統必須進行DMF清洗,一般每15O~180天清洗一次,系統清洗后,就有大量鹽泥和固態的SAN樹脂混合物沉積在輸送熔融態SAN樹脂的高粘度泵齒輪處。這種混合物在正常開車條件下是不可能熔化并從泵頭擠出的,必須解體泵頭,清理殘存于齒輪、滑動軸承和自潤滑密封槽處的沉積物。針對這種現象,本文對鹽水冷凝器管束的泄漏原因進行了分析,提出了改造方案,并組織實施,改造的效果良好。     1 生產工藝和設備技術指標     從SAN聚合釜送來的聚合液,在預熱器內被高溫熱媒迅速加熱到210~230℃ ,以發泡的狀態進入脫揮器,控制脫揮器的絕壓在4kPa以下,使殘留的單體、溶劑乙苯及少量水分等瞬間汽化,并以氣體狀態進入單體回收工序。揮發氣體首先進入脫揮冷凝器(3E2601),被循環冷卻水冷卻器冷凝后,進入鹽水冷凝器(3E2602)中再次被冷卻及冷凝,冷凝液冷卻到10℃ 以下后進入油水分離器(3V2601),經分離后,油相(回收單體)經泵送到回收液儲罐重新參與聚合反應,鹽水冷凝器中部分未冷凝氣體被蒸汽噴射泵抽出進行萃取回收,其余未凝氣體高空排放。     鹽水冷凝器為U形管式不銹鋼冷卻器,外形尺寸:~1000mmX 6750mm,冷凝器主要技術參數如表1所示。       2 設備失效情況     鹽水冷凝器于2000年6月投入使用。從2003年1月開始,擠壓機出口的過濾網上陸續出現一些白色的沉積物,將沉積物用水溶解后,用AgNO。溶液滴定有大量白色沉淀生成,由此判定此沉積物為含Cl的鹽類。經試壓查漏,發現鹽水冷凝器管束存在泄漏,第一次有14根列管滲漏,一年后增加到36根列管。該冷凝器換熱管與管板的連接形式為強度焊接加貼脹。每次檢查管板表面完好,幾乎無腐蝕痕跡。因此可以推斷泄漏就是因為列管破損造成的,且損壞程度與日俱增。     2005年1O月解體鹽水冷凝器,抽出管束檢查發現,發生泄漏的列管全部在U形彎曲處,并且全部出現已經穿透的環向裂紋,其余部位管外壁基本無腐蝕現象。     3 管束失效原因分析     鹽水冷凝器管束材質為00Crl9Nil0,規格~25mm×2.5mm,制造時U形管冷彎一次成功,U形部位進行了去除應力退火處理,退火溫度400℃ 。為了徹底弄清楚管束失效的原因,取1號—— 未經過加工和使用的原材料(直管),2號—— 失效的U 形彎管兩個樣品,如圖1所示,從金相組織、斷口和腐蝕產物3個方面進行了檢驗分析。                       3.1 金相分析     分別檢驗了1號和2號樣品的橫向、縱向金相組織和夾雜物分布,結果1號原材料、2號失效件的金相組織同為奧氏體(見圖2),兩個樣品縱向和橫向的組織形態也相同。     3.2 硬度     取每個試件左、中、右端的3個點測試其布氏硬度(HB),結果如下:     1號:140,143,143;     2號:143,146,147。                      3.3 斷口分析     (1)宏觀檢查     裂紋為環向,均產生在2號樣品U形彎曲部位的管外側,多條環向裂紋平行分布,并已穿透管壁。裂紋的分布規律與U形管的加工殘余應力分布規律是一致的,直管和2號樣品管內側沒有發現裂紋。管內有鐵銹色和黑色的附著物,易清除,清洗后可見內壁較粗糙,無金屬光澤。彎曲半徑較小的外側管表面可見明顯的腐蝕坑,壁厚無顯著減薄,沿裂紋存在鐵銹色附著物。其余部位管外壁無腐蝕現象。    此外,宏觀檢查時發現,在管外壁表面有一條與環向裂紋垂直分布的軸向裂紋狀印跡,經磨削檢查不是裂紋,是管材在軋制過程中表面留下的痕跡,使用中介質附著于此而產生的結果。     (2)宏觀特征     打開U形管環向裂紋進行斷口分析,發現斷口宏觀表面粗糙,沒有塑性變形,有起伏,有少量腐蝕產物。     從斷口剖面金相可以觀察到裂紋從內壁表面起裂,裂紋擴展以穿晶為主,伴有沿晶擴展,如圖3所示。    (3)微觀形貌     裂紋起源于腐蝕坑底部,U 形管斷口微觀形貌主要表現為穿晶解理,解理面上存在腐蝕坑和二次裂紋,如圖4所示。u形管裂紋擴展形貌表現為應力腐蝕特征。               3.4 腐蝕產物分析     從失效管內取附著物進行能譜X射線成分分析,結果見表2。                       從表2分析的兩個點的數據看,產物中除含有不銹鋼中所含有的Fe、Cr、Ni元素以外,還有Ca、O、Si、S、K、C1等化學元素,表明產物中存在有害Cl一、金屬氧化物和硫化物(或含硫的含氧酸鹽)。由于在管子內表面未觀察到明顯的均勻腐蝕跡象,因此可以判斷該附著物是由冷卻介質帶來的雜質。附著物中含有較高濃度的C1一,促進了不銹鋼的點蝕,并形成了不銹鋼應力腐蝕的介質條件。     3.5 結果分析     (1)鹽水冷凝器換熱管的金相組織是正常的,使用前后組織沒有發生明顯變化。但是,原材料與U形彎管的硬度有差別,U形彎管的硬度略高于原材料,說明U 形彎管在冷彎成形后,雖然進行了去除應力退火處理,但不充分,沒有達到目 的。資料顯示,即使在弱的應力腐蝕介質條件下,超低碳奧氏體不銹鋼冷加工或焊接后,消除應力熱處理溫度應為85O~900℃ ,然后進行空冷或急冷;如果為了消除局部應力集中,作尺寸穩定化熱處理,溫度也應在500~600℃_lj。     (2)鹽水冷凝器U形彎管開裂的特征主要是:     1)裂紋數量多,分布有局部性,直管部分沒有開裂,裂紋都產生在彎管部位,橫向分布在彎管外側,說明裂紋的分布和走向與管子在該部位的殘余應力狀態有關。     2)裂紋起源于管內壁表面的腐蝕坑,與不銹鋼產生應力腐蝕的敏感介質有關。     3)斷面沒有塑性變形,裂紋擴展有分又,以穿晶解理為主,呈脆性開裂特征。     以上特征表現為典型的應力腐蝕開裂。     (3)管內腐蝕產物分析證明管內介質存在C1一和硫化物,說明鹽水冷凝器存在不銹鋼應力腐蝕的介質條件。     (4)換熱管采用OOCrl9Nil0(304L)超低碳奧氏體不銹鋼(碳含量小于等于0.03 ),就是為了提高其抗晶間腐蝕和抗應力腐蝕性能,但由于冷加工在U形管外側產生了拉伸殘余應力,使管子變形部位的殘余應力峰值水平達到屈服點,不適當的熱處理又沒有能夠將殘余應力峰值降低到安全線以下,所以使抗應力腐蝕能力下降。由以上分析可以認為,鹽水冷凝器U形彎管泄漏是C1一引起奧氏體不銹鋼應力腐蝕開裂的典型案例。應力腐蝕發生的部位與管子冷加工產生的殘余應力有關。由此看來,U形管式冷凝器不適合在鹽水系統中使用。     4 改造措施     為了徹底解決鹽水冷凝器易腐蝕泄漏的難題,決定在現有基礎上對該冷凝器進行改造,將U形管式冷凝器改造成浮頭式。     4.1 浮頭式換熱器和U形管式換熱器的比較     浮頭式換熱器的一端管板固定在殼體與管箱之間,另一端管板可以在殼體內自由移動,其殼體和管束的熱膨脹是自由的,管束可以抽出,便于清洗管間和管內12],其缺點是結構復雜,造價高,比U形管式高3O 9/6,在運行中浮頭處發生泄漏,不易檢查處理。U形管式換熱器兩端固定在同一管板上,管束可以自由伸縮,不會因介質溫差而產生溫差應力,因只有一塊管板,且無浮頭,價格便宜,結構也簡單,但管子在U形彎曲處不易清洗,管板上排列的管子少,管束中心部位存在空隙,使流體易走短路,物料分布不均,管束中部管子不能檢查更 換,堵管后管子報廢率較直管大一倍,適用于管程介質無雜質且不易結垢的場合。     4.2 改造措施    (1)制做和原U 形管束等直徑的直管束,換熱管和管板連接形式為強度脹接加密封焊r3]。換熱管采用0Crl8Ni9、~25mm×2.5mm 的定尺管,管子長度7000mm,以保證新管束的換熱面積達到372.4 ,從而保證改造后鹽水冷凝器冷凝效果滿足生產需要。     (2)原鹽水冷凝器封閉端的橢球形封頭被切除,焊接鍋圈法蘭,并制做與之連接的新封頭,新封頭處筒體加長400mm,保證新管束和浮頭的順利安裝。     (3)鹽水冷凝器的浮頭法蘭面和管箱分步做0.7MPa水壓試驗,確保正常投用。     5 改造后的效果     改造后的鹽水冷凝器在使用了18個月后打開封頭檢查,管板表面完好,無任何腐蝕痕跡,殼程進行0.6MPa的水壓試驗,無泄漏,達到了預期的目標。     參考文獻:     1 李金貴,趙閨彥.腐蝕和腐蝕控制手冊[M].北京:國防工業出版社,1988  2 GB151-1999管殼式換熱器Es].     3 施建平.換熱管制造中滿足脹管率的機械脹接試驗研究I-J].壓力容器,2001
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