探究苯乙烯裝置三聯換熱器泄漏成因

周高彬(中海石油寧波大榭石化有限公司，浙江 寧波 315812)

1 實況介紹

三聯換熱器為脫氫單元的重要設備構成，其本體由3個換熱器[進/出料換熱器(TT-1202)、乙苯汽化器(TT-1201)與蒸汽發生器(TT-1203)]串聯而成，這便是三聯換熱器命名的依據。管程物料都應用，從上到下的流動順序：TT-1202→TT-1203→TT-1201，誘導粗苯乙烯降溫過程，TT-1203殼程為始源于高壓蒸汽罐(MS-1241)的鍋爐給水，殼上、下部上部進水、下部出水溫度分別能達到256℃、195℃。在正常狀態下，TT-1203管程下部出料溫度能達到268℃，工藝流程[1]如圖1所示 。

圖1 工藝流程圖

2016年3月，日常巡檢中發現TT-1203下部出料溫度降到199 ℃，經數日后降低到108 ℃，到5月份時降到80 ℃，鑒于出料溫度持續降低的情況，可以初步認定是TT-1203發生了泄漏問題。由于殼程進水溫度相對較低，一旦發生泄漏問題以后，水進入管程與物料混合并進行熱量交換，抑制物料溫度明顯下降。另外，泄漏的過熱水(壓力4 300 kPa)壓力持續降低到30 kPa，伴隨發生了汽化反應，吸收了物料內的部分熱量，這也是造成出口物料溫度顯著跌落的主要原因。另外，MS-1241正常進水量理應是33 t/h，到5月檢查時，發現其蒸汽量降到22 t/h，并且液位也有不斷降低趨勢。綜合以上異常狀況可以判斷TT-1203出現了泄漏問題，有部分水滲流到管程內。2016年5月份停車檢查，證實以上做出的判斷結果是正確的。拆卸檢查TT-1203換熱器，發現其下管板角焊縫及管橋位置出現了100多處泄漏問題，管板自身嚴重受損，管板邊緣臨近殼體位置是泄漏點集中分布處，換熱器下側端也出現泄漏問題。

2 分析泄漏原因

通過過長裂紋樣貌，可以判斷出裂紋是冷裂紋，先出現在下管板與換熱管焊縫根部，在殼程蒸汽的沖刷作用下，裂紋的覆蓋面積有不斷擴增的趨勢，管板構造出現了嚴重損壞。鑒于裂紋集中分布在管板外周臨近殼體位置的情況，可以初步認定應力集中是造成以上部位形成裂紋的主因[2]。

(1)換熱管與上管板材的制造材料均以鉻鉬耐熱鋼為主，殼體與下管板的主要材料是碳鋼，和碳鋼相比較，鉻鉬耐熱鋼的熱膨脹系數更大，管板外周臨近殼體位置換熱管焊縫因受熱造成形成應力集中的現象更為嚴重，和管板、換熱管焊接殘余應力協同作用引起裂紋。

(2)本項目在運轉階段，是由外單位供給蒸汽，運行時意外停車13次，設備溫度上升、降低過程較快速進行，造成換熱管與殼體收縮不均勻，上、下管板均是固定端，管板外周臨近殼體位置應力集中更為嚴重，以上這種情況對裂紋生成、擴展過程起到了一定促進作用。

(3)因為管程操作溫度(399 ℃/299 ℃)與殼程操作溫度(256.1 ℃)差值將近100 ℃，高溫條件下運轉中形成較大溫差應力，并且會長期存在。

(4)在應力集中的作用下，鑒于碳鋼、鉻鉬耐熱鋼兩種材質的熱膨脹系數相差較大，后者的熱強度更高，故而在強度偏高的上管板與換熱管焊縫位置沒有出現泄漏問題，但是在強度最薄弱的下管板與換熱管焊縫、管橋位置，發生裂紋問題的概率更高。

(5)殼程、管程的實際操作壓力分別達到了4 300 kPa、31.7 kPa，內外壓力相差100余倍，裂紋面積向外拓展且出現斷裂后，會被殼程壓進管程，在蒸汽沖刷作用下而形成沖刷腐蝕問題。沖刷腐蝕快速，對局部管橋形成貫穿性損害。

3 檢測狀況

3.1 宏觀檢查

利用宏觀檢測TT-1203下管板、管束的外觀，發現下管板換熱管角焊縫與管橋泄漏位置均存有厚度大概1 mm的鐵銹，清除雜物后能夠觀察到開裂位置形成了顯著的沖刷痕跡，管板邊緣臨近殼體處是裂痕的集中部位，部分裂紋已順著換熱管焊縫朝著管板上擴展，一些裂紋已貫穿到管橋之間，除了以上部位，其他位置沒有出現泄漏問題。檢查換熱管和管板兩者的連接接頭，兩者緊湊連接、貼脹較好。

3.2 滲透探傷檢測

探傷檢測TT-1203下管板換熱管角焊縫處，一共探查到158根換熱管根部出現250多處泄漏點位，一些已經被沖刷腐蝕，很多裂紋出現直線延伸，一些裂紋呈現出支狀特征，被沖刷腐蝕的換熱管在泄漏換熱管中所占比例達到47.5%。

4 修復和檢測方案

因為本次檢修工期相對較緊張，設備本安置在三聯換熱器的最中間位置，沒有返廠進行檢查、修理的客觀條件。鑒于沖刷腐蝕歷時相對較長，下管板結構發生損害造成出現了十分嚴重的泄漏問題，并且由入孔進入高度僅有1.4 m的操作空間中開展檢修作業，焊接部位選定成仰臉，增加了操作難度。本次維修有關檢測、測評、焊接等工序執行過程均符合國內外壓力容器相關的法規及標準條款。擬定如下的修復方案[3]：

(1)滲透探傷檢查下管板。

(2)通過觀察發現存在沖刷作用、裂紋病害及泄露較嚴重的位置，通過現場實地取樣的方法截獲一小段管材的試樣(50 mm×15 mm)，歷經化學元素分析、金相復膜檢測檢驗過程后，探究可能導致應力開裂、腐蝕的原因。在獲得相應結論以后，進行綜合論證。

(3)在項目現場輔助應用手砂輪和金屬磨頭磨除形成缺陷的位置，配合無損滲透探傷技術，確認缺陷被完全消除后，才可以采用適宜的方法修補缺陷，使其恢復至最初狀態。

(4)編制科學、合理的焊接工藝，為工人在項目場區進行焊接操作創造便利條件，以上過程中要督導工人嚴格依照焊接工藝規程操作。

(5)把缺陷細化成多個區域，缺陷修復時按照由難到簡、由大到小的原則進行，在每次修復工序結束后，利用配置好的肥皂水去檢測其滲漏情況。

(6)對MS-1241進行氣密性試驗檢測，并且要配合應用氦檢儀執行氦檢過程。

4.1 悍接工藝

4.1.1 分析母材焊接性

通過閱讀ASME IIA篇，查獲MS-1241的材料構成情況，發現合金元素含量的占比相對較高，焊縫與熱影響區均是容易形成淬硬組織的主要部位，對氫引起的裂紋問題表現出較高的敏感性，如果接頭應力偏大時，形成冷裂紋的風險會顯著增加。

4.1.2 焊接方法和選擇適宜的焊材

為了能使焊接質量得到一定保障，本課題決定采用鎢極氫弧焊，參照ASME鍋爐壓力容器手冊的建議，MS-1241投用過程中管程溫度最高能抵達399℃，故而選用鎳基焊絲ERNiCr-3作為焊材，這是在高溫條件下焊縫能維持較高強度的重要基礎[4]。

4.1.3 確定焊接工藝

焊接操作階段為了能減緩焊接焊的冷卻速率，降低焊縫與熱影響區的淬硬性，改善焊接接頭的抗裂性能，建議工人在正式開焊前對焊縫進行局部預熱處理，溫度要保持在150 ℃之上，焊縫兩側端的預熱范疇＞100 mm。科學設定焊接的具體層數，將實際缺陷深淺度設定為重要依據之一。建議配合使用小電流迅速多層多道焊，要求各條焊縫均要一次持續焊成。多層焊接環節中，應該加強對層間溫度的控制，確保其能始終高于預熱溫度，起焊之前預熱，要維持溫度＜200 ℃，進而規避焊接階段形成組織晶粒粗，進而弱化焊接接頭的機械性。焊接之前還應該清潔處理缺陷兩側＞50 mm區域中的銹蝕、油污等異物。焊接過程中，建議選擇直徑Φ2.4焊材鎢極，維持氫氣流量10～15 L/min氫氣純度維持99.99%左右。

4.2 檢測焊接情況

4.2.1 宏觀檢測

修復焊接結束后，徹底清理掉焊跡、焊渣、飛濺物等雜物，宏觀檢測焊縫與母材過渡圓滑狀況、焊縫表層裂紋生成、夾渣熔合以及氣孔形成等質量缺陷問題，確保其質量符合相關標準要求。

4.2.2 無損滲透探傷檢測

經補焊處理以后，利用無損滲透探傷技術進行檢查，確保其質量合格[5]。

4.2.3 耐壓、氣密性檢測

對MS-1241殼程開展耐壓性試驗(5.39 MPa)，認真檢查是否發生滲漏問題，確認其檢驗合格以后，確定其修復效果達標以后，二次進行無損滲透探傷檢測。MS-1241進行氣密性試驗(4.3 Mpa)，病添加適量氦氣配合氦檢儀氦檢測合格。

5 結語

歷經以上修復檢測操作后，設備質量合格，設備能較好的滿足既有工況條件，病出具了合格檢測報告。回顧本次的研究過程可以認定意外停車導致設備急劇降溫，在以上過程中形成嚴重的應力集中問題是引起裂紋、誘導裂紋拓展的主因。若能規范地實施以上修復方案，則能有效解除焊接缺陷問題，較好的滿足了設備短期內正常、安全使用的現實需求。