換熱器管束失效分析與改進(jìn)策略研究

李建 譚秀慶

摘要：針對某石油企業(yè)焦化車間換熱器管束泄漏問題，完成了泄漏管束的檢測分析工作，結(jié)果表明，引起換熱器管束泄漏的主要原因是管束內(nèi)壁防腐涂層質(zhì)量較差，致使管束內(nèi)壁出現(xiàn)點(diǎn)蝕穿孔。之后提出了換熱器的改進(jìn)策略，以期指導(dǎo)企業(yè)換熱器的改進(jìn)工作，提高換熱器的使用壽命，為企業(yè)創(chuàng)造更多的經(jīng)濟(jì)效益。

關(guān)鍵詞：換熱器管束;泄漏問題;原因分析;改進(jìn)策略;研究

引言

換熱器作為石油生產(chǎn)系統(tǒng)中極為重要的設(shè)備，其應(yīng)用范圍越來越廣泛。石油生產(chǎn)過程中，換熱器主要承擔(dān)著熱量的交換和傳遞任務(wù)，確保石油生產(chǎn)工藝中相關(guān)介質(zhì)的溫度恒定，達(dá)到石油穩(wěn)定高效煉制的目的[1]。換熱器運(yùn)行過程中出現(xiàn)問題，不僅威脅工作人員的生命安全，還會給企業(yè)帶來不可估量的經(jīng)濟(jì)損失[2]。換熱器管束作為換熱器的關(guān)鍵部件，其服役條件極為苛刻，處于高溫、高壓、腐蝕等條件下工作，極易出現(xiàn)泄漏，導(dǎo)致石油生產(chǎn)停滯[3，4]。因此，結(jié)合筆者的工作經(jīng)驗(yàn)和換熱器管束泄漏事故，開展換熱器管束泄漏失效分析與改進(jìn)策略研究具有重要的意義。

1.失效換熱器概述

失效換熱器來源于某石油企業(yè)的焦化車間，是1臺低溫水-頂循環(huán)換熱器，于2019年3月份投產(chǎn)使用。換熱器工作過程中殼程內(nèi)通頂循油，管程內(nèi)夏季時通循環(huán)水，冬季時通采暖水。換熱器管束的材料使用的是10#鋼，截面尺寸為Φ20×2mm。管束內(nèi)壁進(jìn)行了防腐處理，使用的涂層材料牌號為TH901。2020年3月份進(jìn)行年度檢修時，發(fā)現(xiàn)換熱器管束存在明顯的泄漏問題，至此統(tǒng)計得到換熱器的服役時間為364天，其中夏季工作時間為181天，管程操作壓力為0.97MPa，殼程操作壓力為1.06MPa;冬季工作時間為183天，管程操作壓力為0.35MPa，殼程操作壓力為1.06MPa。

2.換熱器管束分析檢測

2.1外壁沉積物檢測分析

為了更好地了解管束外壁的腐蝕狀態(tài)，對其表面的沉積物進(jìn)行取樣，借助離子濺射儀完成樣品的制備，之后在掃描電鏡上進(jìn)行微觀組織觀察，并對沉積物進(jìn)行能譜分析。微觀組織觀察結(jié)果表明管束外圍附著近1mm厚的沉積物，呈現(xiàn)出表面致密，靠近管壁處較為松軟的狀態(tài)。能譜分析結(jié)果表明管束外圍附著的沉積物成分是硫化亞鐵，摻雜微量的氧化鐵。硫化亞鐵組織結(jié)構(gòu)疏松，可能來自管束內(nèi)介質(zhì)附帶的鐵銹，也可能來自于頂循油內(nèi)硫元素與管束的化學(xué)反應(yīng)，均勻附著于管束外圍。

2.2外壁腐蝕狀況檢測分析

為了更清晰的觀察管束外圍的腐蝕情況，在換熱器中取長度為30mm的管束，將其外圍的沉淀物清理干凈，之后在掃描電鏡上進(jìn)行微觀組織觀察，并對表面存在的腐蝕物進(jìn)行能譜分析。微觀組織觀察結(jié)果表明管束表面的腐蝕程度較輕，呈現(xiàn)出均勻腐蝕的狀態(tài)，腐蝕物質(zhì)分布極為致密。能譜分析結(jié)果表明管束表面的腐蝕物質(zhì)為含鐵元素和氯元素的化合物。由換熱器管束表面即使出現(xiàn)了腐蝕狀況，但是并不嚴(yán)重，不是管束泄露的主要原因，極有可能是管束內(nèi)壁的嚴(yán)重腐蝕所致。

2.3內(nèi)壁沉積物檢測分析

為了進(jìn)行管束內(nèi)壁腐蝕情況的觀察，截取長度為50mm的管束，將其刨切為兩半。首先在管束內(nèi)壁位置取沉積物樣品，目測管束內(nèi)壁包含鐵銹和水垢兩種沉積物。之后在掃描電鏡上進(jìn)行微觀組織觀察，并對沉積物進(jìn)行能譜分析。微觀組織觀察結(jié)果表明管束內(nèi)壁存在較多的水垢，水垢表面存在大量裂紋，并未緊緊附著與管束內(nèi)壁;鐵銹本身的致密性較差，極易破損成粉狀，但是緊緊附著于管束表面，不易清理。能譜分析結(jié)果表明水垢的主要組成包括鐵銹、碳酸鹽等;鐵銹的主要成分為鐵的氧化物。

2.4內(nèi)壁腐蝕狀況檢測分析

對于管束內(nèi)壁腐蝕狀態(tài)的觀察，需要在泄漏管束中截取長度為30mm管段，刨開之后清除管束內(nèi)壁上附著的沉積物，取出腐蝕程度較大的位置制備分析樣品，之后在掃描電鏡上進(jìn)行微觀組織觀察，并對腐蝕物進(jìn)行能譜分析。微觀組織觀察結(jié)果表明管束未泄漏位置存在較多的點(diǎn)蝕坑，直徑尺寸在2.5～3mm之間，深度尺寸在1.5mm左右，繼續(xù)腐蝕將會穿透管束，導(dǎo)致管束泄漏。能譜分析結(jié)果表明腐蝕坑內(nèi)部的腐蝕物質(zhì)成分組成為鐵的氧化物，同時夾雜微量的氯化物及硫化物。綜合以上檢測結(jié)果可以得出管束出現(xiàn)泄漏是由內(nèi)壁腐蝕出現(xiàn)的點(diǎn)蝕坑深度不斷增加導(dǎo)致的。

2.5管束金相組織檢測分析

為了確定管束內(nèi)壁出現(xiàn)點(diǎn)蝕是否與管束本身材料的內(nèi)部缺陷有關(guān)，對管束的材料進(jìn)行金相試樣磨制，用硝酸酒精溶液進(jìn)行腐蝕，之后在掃描電鏡上進(jìn)行微觀組織觀察。微觀組織觀察結(jié)果表明管束材料的微觀組織均勻，與標(biāo)準(zhǔn)10#鋼的組織圖片基本吻合，組織主要由鐵素體和珠光體兩相構(gòu)成。統(tǒng)計組織中的晶粒等級，結(jié)果為8.5級，沿著管束的軸線方向呈現(xiàn)出了輕微的帶狀分布趨勢，并未出現(xiàn)混晶現(xiàn)象，不存在夾雜物。綜上所述管束材料的內(nèi)部組織均勻，無夾雜物以及其他缺陷，并不存在點(diǎn)蝕源，因此點(diǎn)蝕的出現(xiàn)與材料本身沒有直接關(guān)系。

2.6內(nèi)壁涂層狀態(tài)檢測分析

由上述管束材料金相組織檢測分析結(jié)果可以得出管束內(nèi)壁出現(xiàn)點(diǎn)蝕與材質(zhì)無關(guān)，為了提高管束的抗腐蝕性能其內(nèi)壁涂刷了一層TH901防腐涂層，有必要對涂層質(zhì)量進(jìn)行檢測分析。取長度為30mm的管束管段，刨開之后清除表面的沉淀物，在涂層完整的位置取出觀察樣品，之后在掃描電鏡上進(jìn)行微觀組織觀察。微觀組織觀察結(jié)果表明管束內(nèi)壁涂層表面粗糙、起伏不定，同時，個別位置已經(jīng)出現(xiàn)了鼓包剝離的情況，較大面積涂層鼓包破損，導(dǎo)致管束內(nèi)壁點(diǎn)蝕問題的出現(xiàn)。進(jìn)一步觀察涂層脫落位置，可以發(fā)現(xiàn)較為嚴(yán)重的垢下腐蝕現(xiàn)象。

3.換熱器管束泄漏原因

綜合以上管束外壁、內(nèi)壁和涂層的檢測分析結(jié)果可得，換熱器管束的腐蝕分為3種形式，第一是管束外壁的均勻腐蝕;第二是管束內(nèi)壁的點(diǎn)蝕;第三是管束內(nèi)壁的垢下腐蝕。管束均勻腐蝕并不會導(dǎo)致管道泄漏，管束內(nèi)壁出現(xiàn)點(diǎn)蝕才是導(dǎo)致管束泄漏的直接原因，分析結(jié)果表明管束內(nèi)壁防腐涂層存在明顯的鼓包脫落問題，是引起管束內(nèi)壁出現(xiàn)點(diǎn)蝕的主要原因。換熱器投入使用初期，管束內(nèi)壁防腐涂層因其具有質(zhì)量問題，將會產(chǎn)生微小區(qū)域的鼓包脫落，與此同時，管束內(nèi)部的流體介質(zhì)中存在較高含量的氧以及氯離子，使無防腐涂層位置極易出現(xiàn)點(diǎn)蝕。因點(diǎn)蝕出現(xiàn)的周圍涂層仍然完整無損，隨即形成了陰陽極電化學(xué)腐蝕，進(jìn)一步提高了點(diǎn)蝕坑向管束內(nèi)壁深入的速度，很快就會出現(xiàn)點(diǎn)蝕穿孔，導(dǎo)致管束泄漏。綜上所述，換熱器管束出現(xiàn)泄漏的原因是管束內(nèi)壁防腐涂層的質(zhì)量較差，導(dǎo)致管束內(nèi)壁出現(xiàn)了點(diǎn)蝕穿孔。

4.換熱器管束改進(jìn)策略

為了改進(jìn)換熱器管束的抗腐蝕性能，提高換熱器的使用壽命，基于管束泄漏問題的原因，提出以下幾點(diǎn)改進(jìn)策略。對于新裝的換熱器，嚴(yán)格檢測其管束防腐涂層的質(zhì)量，應(yīng)用之前必須進(jìn)行涂層質(zhì)量的檢測分析，合格之后方可投入使用;管束防腐涂層優(yōu)先選用熱浸鋁等工藝涂制;管束制備材料優(yōu)先選用不銹鋼材質(zhì)，提高其耐氯離子腐蝕的能力。對于換熱器應(yīng)用工藝，嚴(yán)格控制循環(huán)冷卻水中所含氧含量、氯離子的濃度等，降低冷卻水對于管束的腐蝕;為了避免鐵銹附著于管束內(nèi)外壁，在換熱器前端設(shè)置磁性吸附設(shè)備，以便清除鐵銹;定期對換熱器進(jìn)行污垢清理，減小管束內(nèi)壁的垢下腐蝕，進(jìn)而提高換熱器的工作效率。

5.結(jié)論

管束作為換熱器的重要組成部分，對于換熱器的安全可靠工作至關(guān)重要。針對某石油企業(yè)焦化車間換熱器管束泄漏問題，展開了泄漏管束的檢測分析工作，結(jié)果表明，引起換熱器管束泄漏的主要原因是管束內(nèi)壁防腐涂層的質(zhì)量較差，導(dǎo)致管束內(nèi)壁出現(xiàn)了點(diǎn)蝕穿孔。基于此提出了換熱器的改進(jìn)策略，以期指導(dǎo)企業(yè)換熱器的改進(jìn)工作，保證換熱器的安全穩(wěn)定運(yùn)行，提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。

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