凝结水弯头穿孔原因及对策

2016-12-12陈相

石油化工腐蚀与防护 2016年2期

关键词：管程冲蚀凝结水

陈相

(中国石化销售有限公司华中分公司，湖北武汉 430014)

凝结水弯头穿孔原因及对策

陈相

(中国石化销售有限公司华中分公司，湖北武汉 430014)

凝结水冲蚀汽水共存加工硬化

1 穿孔情况

某装置有三条凝结水管线，一条主凝结水线，公称通径DN150,汇集溶剂油系统、常压、精制、分馏稳定岗位重沸器凝结水和各伴热线凝结水，另外两条分别从气分E4002和稳定V1305单独引出，公称通径DN100和DN50，分别接入锅炉凝结水罐V1510。管线复杂，弯头众多，尤其是主凝结水线(见图1)。从2005年6月起，弯头多次穿孔，尤其是图1中所示A和B两个区域，图1中所标弯头先后都发生穿孔。一旦穿孔，由于不能进行工艺切出检修，只好进行带压堵漏处理，给装置日常维护增加了许多费用。

图1 凝结水流程

2 原因分析

将发生的穿孔弯头(公称通径DN100)气割下来(如图2所示)，可以看出，穿孔发生在弯头背部约45°的部位，呈椭圆形，长轴平行于弯头轴线，穿孔方向由里至外，弯头内壁光滑，尤其是穿孔四周，减薄较多。弯头肘部内壁平行于轴线方向，有许多肉眼可见的深约0.5 mm的延弯头轴线方向的划痕。按弯头测厚分布点(见图3)用UTM-101H测厚仪进行测厚，结果见表1。

表1 弯头测厚参数

图2 弯头穿孔尺寸

图3 弯头测厚分布点

根据以上情况，凝结水弯头穿孔是一个渐进的过程，弯头穿孔周围呈槽、沟、波纹和山谷形，还显示有方向性[1]，同时弯头是管件中的重要组成部分，由于其结构的特殊性，相对于其他部位，更容易遭受流体介质的冲刷腐蚀，弯头的冲蚀磨损比直管部分的磨损大约严重50倍[2]。因此确定弯头穿孔是由介质冲蚀所致，冲蚀又被称为磨蚀，是由于流体和金属表面间的相对运动引起的金属加速破坏，它与介质、流速、金属或合金的性质等因素有关。

2.1 蒸汽进入凝结水系统

(1)重沸器处不能充分换热，致使凝结水中夹带蒸汽，汽水共存，冲刷弯头。

图1A区典型的属于此种情况，该段管线凝结水主要来自E1315,该换热器为浮头式换热器，型号为TBJS900-2.5-210-6/25-4，主要为汽油分割塔T1305提供热源，换热面积210 m3，2003年5月投用。管程介质为蒸汽，入口平均温度285 ℃，检修前出口温度平均185 ℃，2006年5月装置大修，发现由于制造缺陷，管箱隔板没有完全压入隔板槽中， E1315管板隔板槽边缘冲蚀出一条约4×45°坡口，致使管程蒸汽部分短路，靠近隔板槽一排换热管焊缝冲蚀，管头穿孔，换热器内漏。管程短路使汽油分割塔底热源不够，蒸汽使用量增大，同时换热器长时间使用后，管束结垢，换热效果变差。部分蒸汽没有冷凝，直接进入凝结水系统。当蒸汽与比蒸汽温度低的凝结水相遇时，会产生热冲击。蒸汽所占的体积比凝结水要大得多，当蒸汽体积突然减小时，会向整个系统放出冲击波。同时，凝结水中夹带蒸汽，汽水共存，产生大量的气泡，随着气泡的聚集和破裂，在以40 m/s 的速度在管道中传输的蒸汽推动下，破坏任何改变汽流方向的管件，高速流动的凝结水冲凿金属表面，对管件，尤其是90°弯头，造成破坏性的冲蚀。

(2)众多伴热线疏水阀失效或被短接，伴热蒸汽直接进入凝结水系统。

疏水阀的作用是自动排放蒸汽管道和设备中的冷凝水，同时有效地阻止蒸汽排放。装置中伴热线错综复杂，根据伴热要求，管线上选用的大部分是圆盘式疏水阀，圆盘式疏水阀由于其本身结构特点，使用寿命比较短，失效后蒸汽泄漏严重。同时由于疏水阀和管线都是采用活套螺纹联接，使用时间较长，螺纹腐蚀损坏，密封失效后，在进行检修时，由于管线腐蚀减薄，焊接难度大，大多数情况下是将活接部分的疏水阀取消，用稍大一规格的无缝钢管直接连接，致使伴热系统的蒸汽直接进入凝结水系统中。

2.2 凝结水pH值过高

为除去锅炉水中残存的易结垢的金属离子，通常在炉水中加一定量的磷酸三钠，使其与钙、镁离子反应，达到除垢的目的，但当加药不当或加药过多时，虽然钙、镁离子能被除去，但大量的钠离子溶于水中，导致了锅炉的pH值上升，当pH值超过12，总碱质量浓度不小于14 mg/L时，蒸汽品质变差，进而造成凝结水管道的碱性腐蚀。这种腐蚀虽然不是弯头穿孔的主要原因，但它广泛地存在于蒸汽系统中，加速了弯头冲蚀穿孔的形成。

3 改进措施及对策

3.1 减少汽水共存现象

大修中对换热器E1315管束进行了高压清洗，对隔板槽进行补焊，对管箱隔板进行了堆焊打磨修复，使隔板与隔板槽通过管箱垫片，良好密封，消除了管程短路现象。在油性变化不大，加工量增大的情况下，日平均蒸汽消耗量明显下降，同时管程出口温度平均降为170 ℃左右(见图4)。从长远利益考虑，可以对换热器取热量进行衡算，选用合适的疏水阀装在管程出口，即可以减少直接进入凝结水系统蒸汽量，又可以大幅降低蒸汽消耗量，节约了能源。

3.2 对凝结水线易穿孔弯头进行材质升级

影响弯头磨损的因素有介质速度、介质性质、冲刷角度、弯头材料和几何尺寸，弯头抵抗冲蚀的能力和自身材料性能有着密切的关系。一般来说，原来耐蚀性能较好的材料将会显示出较好的耐冲蚀性能，韧性材料的冲蚀磨损主要是由于介质冲刷作用下的表面塑性变形、疲劳和介质的不断切割。对易穿孔的碳钢弯头(20号钢)，材质更换为耐蚀性较好的304，20号钢和304，机械性能对比见表2[3]。

图4 换热器蒸汽量消耗对比

力学性能σb/(N·mm-2)σs(σ0.2)/(N·mm-2)δ5,%ψ,%硬度(HB)20号钢41024525551563045202054060≤187

由表2可见，304的韧性和抗拉强度优于20号钢，更为重要的是304属于奥氏体不锈钢，具有很强的材料加工硬化的特征，凝结水对弯头肘部内壁的冲刷，基本是一个物理的过程，在冲刷的过程中，弯头内壁表面塑性有所下降，强度有所提高，在冲刷集中部位，形成一层光滑而致密的耐磨层，有效提高了弯头的耐冲蚀性能。在日常维修可更换的穿孔弯头部位，尝试使用304弯头，使用一年时间，经测厚，冲蚀量小于1 mm，取得了不错的效果。

3.3 对伴热线进行改造

由于装置地处南方，气温低于0 ℃的时间比较少，对不需要的伴热线进行关停。集中对常用的伴热线进行改造，建立了疏水阀台帐，采用使用寿命较长、性能更好的自由浮球式疏水阀，定期进行测温检查，及时更换失效的疏水阀，根据实际使用情况选用合适的疏水阀，既节约了蒸汽消耗量，又减少汽水混合物对凝结水系统的冲蚀。

3.4 事先预防

在日常设备维护工作中，对容易穿孔部位的弯头加强监控，定期进行一次测厚，估算出冲蚀减薄率，在减薄到一定程度后，事先在冲蚀部位进行焊补，待管线能进行工艺切出时再更换弯头，减少了带压堵漏的发生。

3.5 强化管理