工藝冷卻器WH-3102 管束腐蝕原因分析及預防

孟美

（大慶石化公司化工一廠芳烴聯合車間，黑龍江 大慶 163714）

廢堿濕式氧化裝置工藝冷卻器WH-3102，管程介質為廢堿液，殼程介質為循環水。主要用于對廢堿反應器WR-3101出口氧化廢堿液換熱降溫。WH-3102 結構形式為立式浮頭換熱器，換熱器外形規格為φ400×6000mm，換熱管規格為φ19×0.9mm，共138 根。管板材質SB168-600，管束材質SB163-600。上游反應器WR-3101 頂部排出的氧化廢堿液進入套管換熱器WH-3101 殼程，之后流經工藝冷卻器WH-3102進行冷卻降溫；然后，經過分離器WV-3101；最后，進入產品罐WV-3002。

1 設備腐蝕情況調查

WH-3102 出口溫度指示TIA-80106 最高已達78℃（指標要求＜55℃），因此，判斷該換熱器管束堵塞，無法滿足冷卻換熱效果，故停工檢修進行高壓水清洗管束。

考慮WH-3102 出口TIA-80106 最高已達78℃，產品罐WV-3002 溫度已達80℃（設計溫度70℃），為了防止出現設備及管線局部超溫腐蝕的問題發生，檢修前，對WH-3102

換熱器出口流程涉及的設備WV-3101 罐入口管線（原壁厚8mm）、產品罐WV-3002 罐(原壁厚6mm)進行測厚，未見腐蝕減薄的情況。經對WH-3102 拆檢發現，管板表面及管束內壁附著較厚紅褐色垢狀物，且換熱管堵塞嚴重。

圖1 換熱器管束清理的紅褐色垢物及管板結垢管束堵塞情況

對換熱器管束進行高壓水清洗，清洗驗收合格后，將換熱器整體吊裝至地面。經殼程上水試壓（壓力0.8MPa），發現一管程第四排第五、六根換熱管有泄漏情況，第五根換熱管泄漏較為嚴重，第六根換熱管為輕微泄漏，隨后，殼程泄壓進行堵管堵漏。WH-3102檢修投用后出口溫度降低至42℃左右，溫度趨勢平穩，滿足工藝生產需求。持續運行24 小時后檢查換熱器封頭、附屬管線法蘭接管等無泄漏情況。

圖2 換熱器管束清洗后照片

2 腐蝕原因分析

2.1 WH-3102 管束堵塞原因分析

從外觀形態上觀察，廢堿系統的垢物一般分為兩種形式。一種為存在于以氧化反應器為代表的高溫區域的紅黑色鱗片狀垢物；另一種為存在于換熱器、分離器等溫度較低區域的相對疏松的鐵紅色水垢樣物質。

圖3 廢堿垢物的形態

根據車間采集的WH-3102 內部垢物樣品，委托大慶化工研究中心進行垢物分析，結果顯示：垢樣中鐵含量較高（74.85%），同時，通過文獻查詢了解到獨山子乙烯廢堿濕式氧化裝置工藝冷卻器，也因存在積垢問題，造成冷卻后廢堿液溫度高，每年需要對其進行水力清洗一次。獨山子方面的垢物分析結論是： 工藝冷卻器10-E-3612 工藝側因廢堿介質中含有鐵元素，管程發生鐵垢堵塞現象 。

綜合上述各方面因素分析，可以確定廢堿濕式氧化二套裝置WH-3102 中所形成的垢物類型為鐵垢性質。

廢堿濕式氧化系統中冷換設備中所形成鐵垢中鐵的來源，主要來自原料廢堿液中的攜帶的鐵離子。車間分別對上游E1 裝置堿液來料、E3 裝置堿液來料以及W2 濕式氧化裝置堿液進料中的鐵離子含量分別進行了分析，分析結果顯示：E1 裝置來料Fe 離子含量為1.381μg/g、E3 裝置來料Fe 離子含量為2.498μg/g、濕式氧化裝置進料口Fe 離子含量為0.838μg/g。從各路廢堿液的分析結果看，原料廢堿液中是有一定量的鐵離子存在的。

水中鐵的存在形式是膠態的氧化鐵，通常膠態氧化鐵帶正電。當設備內部局部熱負荷很高時，該部位的金屬表面與其他各部分金屬之間，就會產生電位差。在熱負荷較高的區域，金屬表面因電子集中而帶負電。主要帶正電的氧化鐵微粒就向帶負電的金屬表面聚集，結果形成氧化鐵垢。由于廢堿濕式氧化裝置冷換設備內也同樣存在較大的溫差，因此客觀上也會因溫差的存在導致設備內部的電荷積聚，吸引帶正電的氧化鐵離子在設備管壁上形成鐵垢。

上述過程即為WH-3102 管束內垢狀物形成原因。

2.2 WH-3102 管束泄漏原因分析

通過上述管束堵塞原因分析部分可知，換熱器進料中鐵離子含量較高，會在管內形成鐵垢。其中反應器等高溫區域形成的紅黑色鱗片狀鐵垢也會隨廢堿液進入WH-3102 管程，長期積累與管內形成鐵紅色相對疏松黏軟的水垢樣鐵垢混合壓實，管束陸續開始出現整根管堵塞的情況，因廢堿液中含有硫化物，當堿液濃度較低時，不足以完全中和硫離子，從而形成酸性介質。此少量的酸性介質會累積在管束內部造成管束局部發生腐蝕減薄。因WH-3102 的管束較薄（厚度約為0.9mm），材質為inconel-600，材質較軟，此時，使用高壓水清洗管束，可能會導致管束局部減薄的位置出現裂紋泄漏。另外，在高壓水清洗鱗片狀硬質鐵垢時，鱗片隨著高壓水流沖擊，會對管束內壁產生刮蹭損傷，經過幾次高壓清洗后，會造成個別管束泄漏。

3 預防換熱器腐蝕的措施

3.1 防止WH-3102 管束內結垢造成氧化廢堿液溫度過高

在廢堿系統中改變鐵垢形成的條件基本無法實現，從減少原料鐵離子含量方向考慮，也存在有設備管道材質無法改變、堿洗系統操作條件限制等因素，同樣實現難度很大。

因此，從考慮實際可行性角度看，計劃在分離器WV-3101 流程后增加安裝一個工藝冷卻器（WH-3103），待WH-3102 出口溫度再次升高時投用WH-3103，確保氧化廢堿液外送溫度符合工藝要求。

3.2 防止WH-3102 單管程堵管率超標影響換熱效果措施

WH-3102 檢修累計已堵管11 根，另外，有3 根換熱管外壁凹陷扭曲。因換熱管束較少（138 根），且該換熱器為4 管程，每堵1 根管，單管程堵管率增加3%左右。目前，第一管程已經堵管3 根（33 根換熱管），堵管率9.09%。從近兩次檢修過程發現，每次清洗后，管束都有較高概率發生泄漏，漏管數量會隨著高壓水清洗次數增加，更影響換熱效果。因此，對WH-3102 芯子實施大修理計劃，更換WH-3102 芯子一臺，防止WH-3102 再次檢修后單管程泄漏數量超過10%，從而影響換熱器換熱效果。

4 吸取經驗教訓

（1）殼程試壓時，管束內殘留的水清理不徹底，導致第二處管束微小泄漏（一管程第四排第六根換熱管）發現較晚，找漏較為困難。今后在殼程試壓前先用吊車將芯子一端吊起，將管束內存水排凈，然后，再用工業風將管束內壁進行干燥，便于觀察微量泄漏。水壓試壓合格后，再用低壓蒸汽進一步尋找輕微泄漏點。

（2）為了縮短檢修時間和降低換熱器整體吊裝風險，下次檢修考慮在框架上進行清洗、試壓和堵漏。檢修前在管箱下方搭設好檢修平臺和設計加工制作好帶加長桿的堵漏專用工具，提前模擬演練堵漏步驟，同時，做好堵漏失敗的應急處置方案，確保檢修進度、檢修質量全程可控。

5 結語

工藝冷卻器WH-3102 腐蝕的主要原因是由于來料中的Fe 離子形成鐵垢，積聚在管束內壁在酸性環境中對換熱管表面產生腐蝕減薄，管束在高壓水清洗時，管束減薄位置出現裂紋。為了避免管束腐蝕帶來的危害，在日常生產中，要注意工藝平穩操作，減少生產波動，密切關注WH-3102 出口溫度指示，通過在分離器后增加工藝冷卻器，保證氧化廢堿液外送溫度合格，從而減少檢修次數，保障企業效益。