乙烯裂解裝置立式急冷換熱器殼體開裂分析

張中利 趙寶強 王 娟

（1.天華化工機械及自動化研究設計院有限公司；2.嘉峪關市產品質量計量和特種設備檢驗檢測中心；3.中國石油蘭州石化公司煉油廠）

急冷換熱器是乙烯裂解裝置中工藝性非常強的關鍵設備。 急冷換熱器主要有兩個任務：一是將800℃左右的高溫裂解氣迅速冷卻至二次反應溫度以下，減少烯烴損失；二是盡可能多地回收裂解氣的高位熱能，產生12.0MPa 左右的高壓蒸汽［1］。 某廠乙烯裂解裝置立式急冷換熱器運行11 年后， 在殼體上管板下方150mm 處發現3 處開裂，造成氣體外漏，只能停車檢修，這直接影響了生產進度。 為了防范此類失效事故的發生，有必要分析換熱器殼體開裂的原因，并提出應對舉措。

1 急冷換熱器概況

乙烯裂解裝置立式急冷換熱器的尺寸規格為DN1600mm×64mm，主要技術參數為：

設計溫度（入口/出口） 殼程343/-15℃

管程482/-15℃

操作溫度（入口/出口） 殼程329.0/329.1℃

管程417.8/346.1℃

設計壓力（入口/出口） 殼程13.70MPa /F.V

管程0.85MPa

操作壓力 殼程 11.30MPa

管程 0.15MPa

介質 殼程鍋爐水（pH 值 9.0～10.5）

管程裂解爐流出物

材料 殼程13MnNiMoNbR

換熱管SA213T11

2 理化分析

2.1 宏觀檢查

乙烯裂解裝置立式急冷換熱器殼體外壁無明顯腐蝕坑，內壁表面有少量凹坑，存在一條臺階狀主裂紋和兩條二次裂紋，裂紋已沿厚度方向完全開裂（圖1a～c）。該急冷換熱器殼體裂紋斷口表面凹凸不平，附著有大量腐蝕產物，但無明顯塑性變形。

2.2 化學成分分析

采用直讀光譜儀對乙烯裂解裝置立式急冷換熱器殼體的材料進行化學成分分析，將分析結果列于表1。由表1 可知，該急冷換熱器殼體的化學成分符合GB 713—2014《鍋爐和壓力容器用鋼板》對13MnNiMoNbR 鋼的要求。

圖1 急冷換熱器殼體宏觀形貌及取樣位置

表1 殼體材料的化學成分 wt%

2.3 力學性能試驗

在乙烯裂解裝置立式急冷換熱器殼體完好部位取樣，進行常溫拉伸試驗和0℃沖擊試驗，試驗結果列于表2。

表2 殼體的力學性能試驗結果

由表2 可以看出，該立式急冷換熱器殼體的下屈服強度、抗拉強度、斷后伸長率和V 形沖擊吸收功均符合GB 713—2014 中對13MnNiMoN-bR 鋼的要求。

2.4 金相分析

乙烯裂解裝置立式急冷換熱器殼體徑向截面裂紋形貌如圖2 所示。 由圖2 可以看出，殼體徑向截面存在由內壁向外壁擴展的裂紋，裂紋呈現沿晶開裂的特點，金相組織為貝氏體，如圖3a～c 所示。

圖2 急冷換熱器殼體徑向截面裂紋形貌 ×50

圖3 急冷換熱器殼體金相組織

2.5 斷口掃描電鏡與能譜分析

采用日本電子JSM-6510 掃描電鏡對乙烯裂解裝置立式急冷換熱器殼體裂紋斷口進行微觀形貌分析。 從掃描電鏡照片可以看出，原始斷口表面存在大量腐蝕產物（圖4a）；清洗后的斷口呈現沿晶開裂的特征， 且存在大量的沿晶二次裂紋，為典型的堿應力腐蝕開裂，同時斷口還有少量腐蝕坑（圖4b）。

圖4 急冷換熱器殼體裂紋斷口掃描電鏡照片

急冷換熱器殼體裂紋斷口表面腐蝕產物的能譜圖如圖5 所示，能譜分析結果列于表3。由圖5、表3 可知，腐蝕產物中 O、Al、Ca 含量較高，說明存在大量氧化物。

圖5 腐蝕產物能譜圖

表3 腐蝕產物能譜分析結果 %

（續表3）

3 開裂原因

常見的對堿腐蝕較敏感的材料有碳鋼、低合金鋼和300 系列不銹鋼，而乙烯裂解裝置立式急冷換熱器殼體材料為13MnNiMoNbR 鋼， 屬于低合金鋼。 低合金鋼在NaOH 溶液中的應力腐蝕開裂主要是電化學反應的陽極過程引起的，該類鋼在NaOH 溶液中受OH-的作用在表面形成鈍化膜， 但鈍化膜容易破口， 破口處受到熱濃NaOH的強腐蝕作用，其反應式為：

當NaOH 充分濃縮至5%以上時， 鋼表面的磁性氧化鐵會被溶解，而露出活性表面［2］。

急冷換熱器殼體的裂紋位于焊縫附近的熱影響區，該區域作用著3 類應力：受焊接影響存在的殘余應力；因殼體內部溫度分布不均存在的熱應力；外載荷引起的應力。 這3 類拉應力共同作用為堿應力腐蝕提供了應力條件。

堿腐蝕介質必須為熱濃堿液，堿液的濃度越高，堿腐蝕的敏感性越大。 急冷換熱器殼體介質溫度較高且呈堿性［3］，再加之水量不足，氣液交界處易產生局部濃縮堿環境［4］，為堿應力腐蝕提供了溫度和介質條件。

綜上分析可知，該乙烯裂解裝置立式急冷換熱器殼體開裂是材料對堿應力腐蝕敏感造成的。

4 結束語

乙烯裂解裝置立式急冷換熱器殼體選用的材料對堿應力腐蝕開裂較敏感，殼體內壁氣液交界處存在濃縮堿環境，易引發局部堿腐蝕，形成腐蝕坑或微裂紋，在焊接殘余應力與工作應力的共同作用下，不斷由內壁向外壁擴展，最終發生開裂。 對此，應盡量降低設備焊接時產生的殘余應力，焊后需進行消除應力的熱處理；保證足夠的水流量、減少游離堿，確保介質堿濃度符合設計要求；加入緩蝕劑進行腐蝕的有效防護；實施內窺鏡定期檢驗的辦法。 只有多環節管控，才能盡可能延長急冷換熱器的使用壽命，保證乙烯裂解裝置的安全平穩長周期運行。