乙烯裝置急冷油換熱器穿孔失效分析

王勝輝 顧福明 楊宇清

（上海市特種設備監督檢驗技術研究院)

換熱技術

乙烯裝置急冷油換熱器穿孔失效分析

王勝輝*顧福明 楊宇清

（上海市特種設備監督檢驗技術研究院)

某換熱器的換熱管束在換上不到1年就發生腐蝕穿孔失效。采用化學成分和宏觀、微觀形貌檢測方法對失效原因進行了分析。分析結果表明，局部堿脆是引起腐蝕穿孔的主要原因。提出了預防換熱管失效的建議

換熱管 腐蝕 堿脆 換熱器

Abstract：The corrosion and perforation phenomenon of the bundle ofheatexchanger tube turned up with using less than a year.The reasonsof the failure have been studied by chemical composition analysis andmacro-andmicromorphology testingmethod.The results show that caustic embittermentwas themain reason caused corrosion and perforation phenomenon.Provided some proposes to prevent the failure ofheatexchange tube.

Key words：Heatexchange tube;Corrosion;Caustic embrittlement;Heatexchanger

0 前言

乙烯裝置中，工藝水汽提系統是急冷系統的重要組成部分之一。利用從裂解氣中分離出的急冷油和工藝水進行熱交換制得稀釋蒸汽，再用稀釋蒸汽把熱量帶回裂解爐或送出系統實現熱循環，可達到節能的目的[1]。其中，急冷油/稀釋蒸汽換熱器是該系統中實現熱交換最關鍵的設備之一，其安全、穩定、高效的運行對確保乙烯裝置的正常運轉具有重要的意義和經濟價值。

某急冷油/稀釋蒸汽換熱器的換熱管在使用不到1年后發生了局部腐蝕穿孔失效。該換熱器為圓筒形的臥式結構，筒體內由下往上共布置四排換熱管束，見圖1，前端為固定管板，后端為浮頭，尺寸?2 400×9 000 mm， 材質 16M nⅢ， 內 置 管 束5 925根，換熱面積3 005m2。換熱器利用管程內的高溫急冷油來加熱殼程的工藝水稀釋蒸汽。管程通急冷油，管子規格?19×2mm，材質10號鋼，進口溫度195℃，出口溫度175.6℃，操作壓力0.725MPa；殼程走工藝水稀釋蒸汽，進口和出口溫度分別為170.2℃和170.8℃，操作壓力0.706MPa。

圖1 筒體內四排換熱器管束

1 理化檢驗

1.1 工藝水分析

工藝水本身含有酸性介質，工藝水汽提系統采用中和胺與NaOH的混合溶液 （原僅為中和胺）對酸性工藝水進行加堿處理，使其保持弱堿性，維持pH值在7.5～9.5的合適范圍。據廠方介紹，當前的工藝是使換熱器殼程中工藝水的pH值保持在9.2左右。但根據現場監測發現，工藝水的pH值波動劇烈、波動頻繁，pH值有較長時間超出7.5～9.5的范圍，甚至超過11。

對工藝水中的陽離子進行成分分析，結果顯示，其中主要含有Na+，含量高達28.54mg/L，Fe離子含量則不高，只有0.16mg/L。這一結果說明，因調節工藝水pH值而加入大量NaOH，結果導致堿液濃度過大，從而引起腐蝕。但Fe元素含量低，說明這一腐蝕不屬于均勻腐蝕，只是在材料表面個別位置出現局部腐蝕。

1.2 宏觀檢驗

失效換熱管子的腐蝕形貌如圖2所示。由圖2(a)、(b)可見，失效的換熱管表面距換熱器浮頭約1.9m處有三個相鄰的腐蝕凹坑，直徑在4～8mm不等。其中左邊與中間的2個凹坑未穿孔，中間的凹坑呈放射性條狀凹陷形貌；最右邊的一個凹坑已穿孔，孔徑約2mm，見圖2(c)。發現管子內表面穿孔直徑小于外表面，因此判斷管子的腐蝕穿孔是從外壁開始的。我們分析的是該凹坑的右側部分，即半個凹坑。

1.3化學成分分析

對失效換熱管子進行化學成分分析，結果詳見表1。由表1可知，失效管的化學成分符合相關標準要求[2]。

1.4金相分析

換熱管為塊狀鐵素體+珠光體組織結構，鐵素體中的夾雜物分布均勻，但珠光體含量偏高且發生了一定程度的溶解，易成為腐蝕發生的起始點。換熱管的晶粒度評定等級為6級，其金相組織照片見圖 3。

圖2 換熱器失效換熱管宏觀形貌

表1 失效換熱管的化學成分（%）

圖3 換熱器失效管子金相組織

1.5掃描電鏡與能譜分析

對換熱管凹坑處進行掃描電鏡分析，其腐蝕形貌見圖4。圖4(a)所示為破口剖面的整體形貌，剖面上可見大面積的蝕坑群，圖4(b)即為蝕坑的局部放大形貌。同時可見剖面上存在大塊的腐蝕產物，見圖4(c)。對破口剖面另一位置觀察發現，剖面上同時還存在較為明顯的顯微裂紋，見圖4(d)。對裂紋進一步放大可見，裂紋周圍還有更小的裂紋，見圖4(e)，而裂紋內部也有層層相疊的小裂紋，見圖4(f)，這兩個現象都較為明顯地驗證了剖面上的裂紋是由更小的相鄰顯微裂紋擴展連體所致。

圖4 換熱器失效管破口微觀形貌

對圖4(c)中A、 B兩點處的腐蝕產物進行EDS能譜分析獲悉， 塊狀腐蝕產物主要含有O、Na、 P、Fe四種元素， 如圖5(a)、 圖5(b)與表2所示。根據質量分數計算大致可知，這些腐蝕產物為NaFeO2、Fe2O3等腐蝕產物的混合物。對圖4(f)中的裂紋進行微區成分分析， 結果如圖5(c)與表2所示， 可見裂紋主要也含有O、Na、S、 Fe四種元素，經分子量換算關系推得其原子個數比也大致符合NaFe20S8O40， 即同樣為 Na3FeO3、Na2FeO2、FeSO4及鐵的氧化物等腐蝕產物的混合物。

表2 失效換熱管破口的能譜分析（%）

2 分析與討論

根據現場監測發現，工藝水的pH值波動劇烈。pH值太低呈酸性時，會導致設備的酸性腐蝕加速；但pH值太高，則會導致工藝水乳化或使鋼材形成過鈍化，導致設備腐蝕損壞，尤其在高溫條件下更是如此。由此可以推斷，造成這一現象的主要原因是由于設備運行時加堿操作不當引起的。

一般而言，碳鋼表面都會有層致密的Fe3O4氧化膜，起鈍化保護作用。但事實上管子外壁常常在制造、安裝和維修過程中引入機械缺陷如凹陷、劃痕等，管子表面Fe3O4鈍化膜遭到破壞，堿液在缺陷處發生富集濃縮，因而在高溫工況和應力的共同作用下凹陷易發生局部堿脆，或稱應力腐蝕開裂[3]。換熱器管子的材質是10號碳鋼，殼程介質為含有NaOH的堿性溶液，運行溫度 170℃、壓力0.7MPa，這一“碳鋼—堿液—壓力”三者構成的腐蝕環境為局部堿脆創造了良好條件[4]。

根據金相組織分析可知，換熱器管子具有含量較高的珠光體組織，這在一定程度上也為堿脆創造了條件。根據失效換熱管腐蝕破口與凹坑的宏微觀形貌觀察可知，腐蝕凹坑內存在大量的局部腐蝕微孔，并且從微孔底部萌生出脆性裂紋。根據裂紋形貌判斷，部分具有沿晶開裂的特征且有明顯的主裂紋。同時，在腐蝕微孔內還測得含有Na、O、Fe等元素，這與堿脆產物的成分相符。因此，所觀察到的腐蝕形態都證明了換熱器管束曾經歷局部堿脆的腐蝕過程。

3 結論與建議

（1）NaOH堿液的加料方式不當及其加料量過多，是導致管子表面發生局部堿脆、引發腐蝕穿孔的主要原因。

（2）失效管上有放射性條狀凹坑，這是安裝時引入的機械割傷或是在殼程內有某種剛性異物對管壁產生的撞擊刮傷所形成的。

（3）為防止堿脆的發生，應嚴格控制堿液比例和加料方式，確保pH值在合理的范圍之內。

（4）更換管束時要確保管束質量，嚴防管子被異物劃傷。檢修后必須把可能遺留在殼程內的異物清理干凈。

[1]王松漢,何細藕.乙烯工藝與技術 [M].北京：中國石化出版社，2000.

[2]GB 9948—2006.石油裂化用無縫鋼管 [S].北京:中國標準出版社，2006.

[3]何業東,齊慧濱.材料腐蝕與防護概論 [M].北京:機械工業出版社,2005.

[4]陳合成.堿液腐蝕及防護技術 [J].石油化工腐蝕與防護,2004,21(1):20-24.

Failure Analysis for the Perforation of the Heat Exchange Tube in Ethylene Plant

Wang Shenghui Gu Fuming Yang Yuqing

TQ 051.5

2011-01-11）

*王勝輝，男，1982年11月生，碩士。上海市，200062。