稀释蒸汽发生器管口泄漏原因分析和对策

汤忠民

(中国石化上海石油化工股份有限公司烯烃事业部，200540)

中国石化上海石油化工股份有限公司乙烯改扩建工程于2002年4月投入使用，其中的稀释蒸汽发生器是改扩建工程中裂解区的换热器，一共有2台，设备位号为E－EA2170A/B。该换热器是固定管板式换热器，立式布置，管子与管板采用强度焊加贴胀的方式连接。这2台换热器在投入使用不到半年就发生管口泄漏故障。经查泄漏点处于管口密封焊处或热影响区，且泄漏以微裂纹形式出现，裂纹垂直于焊缝方向，呈网状或龟裂状，气密捉漏时呈蟹沫状泄漏;同时在下管板管口焊缝处发现多个腐蚀坑，有十几处管口与管板焊缝已腐蚀穿孔，管口与管板上最大一块腐蚀坑的面积已达约2 cm2。

从管口的腐蚀形状来看，该换热器呈现出应力腐蚀和汽蚀的特征。当时对泄漏部位进行了打磨、补焊，然后投入使用。但使用不久，2台换热器又发生泄漏，以后每隔两个月左右，换热器就要进行检修，管口的泄漏达200多处。2003年4月，考虑对该换热器进行报废更换，提出了对该设备应力计算的怀疑，并与设计单位共同进行了设备损坏原因分析。但设计单位认为，该换热器在应力设计上没有问题，能通过设计程序计算，认为可能是制造上的问题，因此不同意对该换热器进行设计修改。2004年，对这2台换热器按原设计制造，进行了更换，并由原制造厂进行制造。投入使用半年后，2台换热器又发生管口泄漏，换热器的泄漏情况与以前一样。为此，我们对腐蚀泄漏的原因进行了深入分析。

1 应力腐蚀产生原因

应力腐蚀产生的条件是存在着应力和腐蚀环境，应力与腐蚀介质的关系不是简单的相加关系，而是相互配合、相互促进的作用。一般认为，导致应力腐蚀的应力必须是拉应力，压应力是不会产生应力腐蚀的。以下就从换热器的结构和工艺介质来进行分析。

1.1 工艺介质的分析

该换热器在运行中，壳程介质是1.65 MPa的中压过热蒸汽，其进口温度为568 K，出口温度为478 K。管程是饱和工艺水，温度是443 K。其工艺过程为:饱和工艺水由立式换热器的下部进入，在管程中吸热蒸发，形成一定含汽率的工艺水，然后出换热器，进入E－FA2170汽包进行汽水分离，水通过下降管进入换热器的进口进行再加热，饱和蒸汽外送作为稀释蒸汽进入裂解炉。稀释蒸汽中的汽水系统是自然循环的，换热器的管程中的工艺水在被加热过程中，水吸收汽化潜热进行汽化，其压力和温度不变。

换热器的热源中压蒸汽是锅炉产生的高压蒸汽经透平做功后减温减压得到的，其蒸汽品质能得到保证。而作为吸热的工艺水是由乙烯装置中循环急冷水、锅炉排污水、裂解气中冷凝下来的水组成的，工艺水在换热器中被加热，产生稀释蒸汽进入裂解炉中与裂解原料一起裂解，在急冷水塔被冷却作为稀释蒸汽发生器的工艺水被重复利用。由于裂解气中含有硫化氢、二氧化碳、有机酸及微量的氯化氢，在急冷水中、工艺水及稀释蒸汽发生系统中构成一个 H2S－CO2－HCl－H2O［1］，具有弱酸性，而且较脏。为了避免设备的腐蚀，要注入碱和缓蚀剂来调整工艺水中的pH值。由于裂解原料是由市场采购的，不同的裂解原料的硫质量浓度是不同的，裂解气的硫质量浓度也是不同的，因此在实际中工艺水中的pH值也是在变化的，此外，为了避免工艺水的乳化，工艺水的pH值控制在8以下，一般在7左右。在工艺水被加热的过程中对设备腐蚀是不可避免的。因此，工艺水中具备了应力腐蚀的环境条件。

1.2 管程和壳程应力的分析

由于换热器的管壳程温度不同，在运行中其膨胀量也不同，而稀释蒸汽换热器的壳程温度高于管程，在运行中，壳程的膨胀量大于管程。因此，在运行中壳程受到压应力，管程的管子受到的是拉应力，管壳程的膨胀量差形成的应力集中在管板和管子的连接部位上，在管板焊口处产生拉应力，为应力腐蚀产生了条件。

管、壳程材料的膨胀量按以下公式计算［2］:

式中:△L——膨胀量，mm;

α——材料的膨胀系数，K－1;

L1——材料筒体与管子的长度，mm;

△T——筒体和管子的工作温度与制造时的环境温度差，K。

10#钢和16MnR钢的膨胀系数α相同，取值为8.31 ×10－6K－1［2］。制造时的环境温度也是相同的，筒体加上管板的厚度是与管子的长度相同的。因此，管壳程在工作中的膨胀量差可以按式(1)计算。壳程的温度根据设计计算条件为492.0 K，管子的设计计算温度为448.2 K，管壳程的膨胀量差为:

钢材的屈服形变一般在0.2%，也就是说，钢材在0.2%的形变范围内是弹性变形，钢材的形变超过0.2%以后，材料是以屈服的形式来对抗形变的。E－EA2170管程和筒体的长度为4 000 mm，工程上认可材料开始屈服的形变量为8 mm，而换热器的壳体与管程的膨胀量差大14.29 mm，远大于材料的屈服形变点。因此，在运行中，管子受到拉应力，筒体受到压应力，管子的形变量已超过了屈服形变量，已处于非弹性变形范围。管子在局部薄弱部位发生屈服硬化，在管口焊缝处造成应力集中，给管口的应力腐蚀创造了条件。

此外，在运行中，管壳程的压力是不同的，E－EA2170管程的压力为0.69 MPa，壳程的压力为1.65 MPa，两者的压力差为0.96 MPa。不考虑壳体径向方面的形变对轴向力的影响，压差应力最终作用在管板与管子的连接部位上，管口也受到拉应力。压差应力和温差应力这两者的应力方向是一致的，管口在这两种应力的叠加作用下，其连接处因部分管子超过其所能承受的应力而出现微裂纹，再加上工艺水中存在的腐蚀介质，pH值在7左右波动，使管子、焊口及热影响区薄弱部位产生应力腐蚀微裂纹，裂纹不断扩展，最终发生开裂泄漏。

2 蒸发过程对管口泄漏的影响

稀释蒸汽发生器和汽包的水自然循环倍率由多种因素决定的，上升管的入口位置对循环倍率是有影响的，上升管在汽包的汽相，能提高水的循环倍率，有利于传热。稀释蒸汽发生系统的上升管入口位置较低，在液相，这有可能使系统循环倍率过小，使换热器流动阻力增大，增加了汽蚀发生的概率。换热器管口与管板连接处汽蚀照片见图1。从图1可以看到，换热管管口已有腐蚀、减薄缺口，管口和管板的焊缝区有明显的凹坑，呈现出汽蚀的特征。

图1 换热器管口与管板连接处汽蚀照片

换热器管子与管板的连接设计，采用强度焊加贴胀的工艺，管子冒出管板5 mm，换热器在运行中，饱和水从下部进入。在下管板，水流在管口处管子伸出部位发生流动变化，由于管口焊缝处突出以及焊缝的不圆整，在该处相当于一个个小水坝，水流动到此处形成涡流滞留区，这里的水受到壳程蒸汽通过管板热量传递而被加热汽化，存在汽、液相变闪蒸过程，形成一个个小汽泡。汽泡破裂时，周围的液体迅速填充，形成新的汽泡，每个汽泡破裂时都会产生微小的能量冲击，小能量多次冲击，形成水滴石穿的效果，产生噪音和震动并剥蚀设备，在焊缝及热影响区发生腐蚀，即所谓的汽蚀。

换热管在传热时，热量通过金属壁传给管内的饱和水，水蒸发产生汽泡被挤压到管子中央，不与管壁接触，管壁的水流动保持着层流运动，含汽的水流通过管子内部高速流动排出上管板，进入汽包，在管内壁不存在停留点。因此管子内部不会发生汽蚀现象。在上管板处，也有同样的管口连接型式，管板接口处也会存在着积液被蒸发现象，由于汽水是往上抽出的，蒸发的汽水迅速脱离管板，水蒸发产生的爆破力对管口的影响因素小，因此上管板的汽蚀比下管板轻的多。这也就是E－EA2170换热器下管板管口发生汽蚀原因。

此外，在同样的应力条件下，在单相溶液中的腐蚀速率比有相变的溶液缓慢［3］，因此，稀释蒸汽发生器的腐蚀发生在与相变介质相接触的管板与管子的连接部位上。

3 制造工艺对换热器管口泄漏的影响

EA2170换热器共有2 730根管子，直径达到2 m，该换热器采用强度焊加贴胀的制造工艺，在制造过程中，每根换热管其外径是有偏差的，穿管时还有安装误差，管子与管板管孔间隙沿轴向是不均匀的。当焊接完成后胀接时，管子中心线必须与管板管孔中心线相重合。当间隙很小时，未胀管段将可以减轻胀接变形对焊接的影响。当间隙和管子的刚性较大，过大的胀接变形将越过缓冲未胀区对焊接接头产生损伤，甚至造成焊口脱焊。所以对于先焊后胀工艺，控制管子与管板孔的精度及其配合为首要的问题。

如果在制造中管板与管口之间毛刺或管板钻孔处油污未处理干净，会造成焊接强度降低和管子贴胀不到位。该换热器由于管子数量多，在制造中也有可能有少量管子漏胀，这在试压检验中很难检查出。漏胀的管口或胀接不到位的管口，管子与管孔之密封性能就得不到保证，管子与管板间隙可能会发生蒸汽冷凝水浓缩现象，在这间隙中发生间隙腐蚀，造成管口焊缝拉裂破坏。

管子在焊接后的试压过程，也是制造的重要环节，即采用气体进行试压，合格后再进行贴胀。如果用水试压，管子与管板处的水是不容易排干净的，在胀接的过程中，管板和管子中未排干净的水被封存在管口那段15 mm的焊接与胀接之间的禁胀区，在运行中，这部分水被加热蒸发，形成新的气压，其压力有可能破坏焊口。

由于焊缝属于非均质材料，又是各种应力的叠加的集中处，其表面的脆化层易剥离成为缺陷区，形成微裂纹源，再加上焊缝本身可能存在着缺陷，因此在设备运行中，在腐蚀环境和拉应力共同作用下，产生穿透性裂纹，从而导致焊缝泄漏［4］。

4 结论与对策

(1)EA－2170稀释蒸汽发生器管口发生泄漏的主要原因:一是管程和壳程有较大的温差，管子材料在温差应力的作用下被过度拉伸;二是换热器的管壳程压差较大，壳程的压力大于管程，压差应力作用方向与温差应力方向一致，两种应力叠加，在管子与管板的焊口产生拉应力，为应力腐蚀创造了条件;三是工艺水含有一定的弱酸介质，且较脏。如果pH值控制不严，会在管口处形成腐蚀环境，在应力的作用下，造成管口应力腐蚀泄漏。

(2)壳程的加热蒸汽温度过高，再加上管口的冒口加强焊结构，使管口处形状突变，在管板与管口处工艺水形成流动滞留区，水在管口焊接处被蒸发，产生汽泡，汽泡破裂，形成能量冲击，使管口焊缝剥离并发生汽蚀。

(3)制造中的一些缺陷也会对换热器的管口泄漏产生影响，特别是贴胀漏胀和贴胀未到位，会使蒸汽冷凝水存在管子与管板的缝隙中，产生水浓缩，形成间隙腐蚀。

(4)对换热器壳体加装Ω型膨胀节，消除温差应力和压差应力对管口的影响;在工艺上严格控制工艺水的pH值，减少其应力腐蚀发生的几率;在换热器的入口处，补充一股过冷水到工艺水，降低工艺水的入口焓值，减轻工艺水在下管板处发生汽化的概率。

(5)对换热器的材料进行升级，管板和管子采用不锈钢材料，使其增加材料的耐蚀能力。利用不锈管材料的线膨胀因子比16MnR大35%左右的因素，从而增加管子的膨胀量，缩小筒体与管子的膨胀量差，达到降低温差应力的目的。经估算，如管子与管板采用不锈钢，筒体采用16MnR，在此工艺条件下运行，筒体与管子的膨胀量差在1 mm左右，温差应力对管口的影响可以忽略不计。

(6)选择合格的换热管制造商，按GB/T 9948－2006《石油裂化用无缝钢管》或 GB 13296－1991《锅炉热交换器用不锈钢无缝钢管》采购换热管，使换热器管的质量得到保证，并且选择专业的、质量可靠的换热器厂商制造该换热器;管口结构采用平头结构，或管子与管板采用内孔焊结构，以减小管口处水流动的阻力，避免管口处水滞留产生的蒸发，从而避免引起管口焊接处的汽蚀。

(7)在2008年对E－EA2170换热器进行了以上措施的整改和落实，换热器使用2年后检查，未发现泄漏，从而解决了换热器泄漏的问题。

1 陈匡民主编.过程装备腐蚀与防护［M］.北京:化学工业出版社，2001.

2 潘家祯主编.压力容器材料使用手册——碳钢及合金钢［M］.北京:化学工业出版社，2000.

3 孙奉仲主编.换热器的可靠性与故障分析导论［M］.北京:中国标准出版社，1998.

4 何秀兰.换热器列管与管板焊接应力腐蚀裂纹的防治［J］.一重技术，2005(5):47－48.