探究苯乙烯装置三联换热器泄漏成因

周高彬(中海石油宁波大榭石化有限公司，浙江 宁波 315812)

1 实况介绍

三联换热器为脱氢单元的重要设备构成，其本体由3个换热器[进/出料换热器(TT-1202)、乙苯汽化器(TT-1201)与蒸汽发生器(TT-1203)]串联而成，这便是三联换热器命名的依据。管程物料都应用，从上到下的流动顺序：TT-1202→TT-1203→TT-1201，诱导粗苯乙烯降温过程，TT-1203壳程为始源于高压蒸汽罐(MS-1241)的锅炉给水，壳上、下部上部进水、下部出水温度分别能达到256℃、195℃。在正常状态下，TT-1203管程下部出料温度能达到268℃，工艺流程[1]如图1所示 。

图1 工艺流程图

2016年3月，日常巡检中发现TT-1203下部出料温度降到199 ℃，经数日后降低到108 ℃，到5月份时降到80 ℃，鉴于出料温度持续降低的情况，可以初步认定是TT-1203发生了泄漏问题。由于壳程进水温度相对较低，一旦发生泄漏问题以后，水进入管程与物料混合并进行热量交换，抑制物料温度明显下降。另外，泄漏的过热水(压力4 300 kPa)压力持续降低到30 kPa，伴随发生了汽化反应，吸收了物料内的部分热量，这也是造成出口物料温度显著跌落的主要原因。另外，MS-1241正常进水量理应是33 t/h，到5月检查时，发现其蒸汽量降到22 t/h，并且液位也有不断降低趋势。综合以上异常状况可以判断TT-1203出现了泄漏问题，有部分水渗流到管程内。2016年5月份停车检查，证实以上做出的判断结果是正确的。拆卸检查TT-1203换热器，发现其下管板角焊缝及管桥位置出现了100多处泄漏问题，管板自身严重受损，管板边缘临近壳体位置是泄漏点集中分布处，换热器下侧端也出现泄漏问题。

2 分析泄漏原因

通过过长裂纹样貌，可以判断出裂纹是冷裂纹，先出现在下管板与换热管焊缝根部，在壳程蒸汽的冲刷作用下，裂纹的覆盖面积有不断扩增的趋势，管板构造出现了严重损坏。鉴于裂纹集中分布在管板外周临近壳体位置的情况，可以初步认定应力集中是造成以上部位形成裂纹的主因[2]。

(1)换热管与上管板材的制造材料均以铬鉬耐热钢为主，壳体与下管板的主要材料是碳钢，和碳钢相比较，铬鉬耐热钢的热膨胀系数更大，管板外周临近壳体位置换热管焊缝因受热造成形成应力集中的现象更为严重，和管板、换热管焊接残余应力协同作用引起裂纹。

(2)本项目在运转阶段，是由外单位供给蒸汽，运行时意外停车13次，设备温度上升、降低过程较快速进行，造成换热管与壳体收缩不均匀，上、下管板均是固定端，管板外周临近壳体位置应力集中更为严重，以上这种情况对裂纹生成、扩展过程起到了一定促进作用。

(3)因为管程操作温度(399 ℃/299 ℃)与壳程操作温度(256.1 ℃)差值将近100 ℃，高温条件下运转中形成较大温差应力，并且会长期存在。

(4)在应力集中的作用下，鉴于碳钢、铬鉬耐热钢两种材质的热膨胀系数相差较大，后者的热强度更高，故而在强度偏高的上管板与换热管焊缝位置没有出现泄漏问题，但是在强度最薄弱的下管板与换热管焊缝、管桥位置，发生裂纹问题的概率更高。

(5)壳程、管程的实际操作压力分别达到了4 300 kPa、31.7 kPa，内外压力相差100余倍，裂纹面积向外拓展且出现断裂后，会被壳程压进管程，在蒸汽冲刷作用下而形成冲刷腐蚀问题。冲刷腐蚀快速，对局部管桥形成贯穿性损害。

3 检测状况

3.1 宏观检查

利用宏观检测TT-1203下管板、管束的外观，发现下管板换热管角焊缝与管桥泄漏位置均存有厚度大概1 mm的铁锈，清除杂物后能够观察到开裂位置形成了显著的冲刷痕迹，管板边缘临近壳体处是裂痕的集中部位，部分裂纹已顺着换热管焊缝朝着管板上扩展，一些裂纹已贯穿到管桥之间，除了以上部位，其他位置没有出现泄漏问题。检查换热管和管板两者的连接接头，两者紧凑连接、贴胀较好。

3.2 渗透探伤检测

探伤检测TT-1203下管板换热管角焊缝处，一共探查到158根换热管根部出现250多处泄漏点位，一些已经被冲刷腐蚀，很多裂纹出现直线延伸，一些裂纹呈现出支状特征，被冲刷腐蚀的换热管在泄漏换热管中所占比例达到47.5%。

4 修复和检测方案

因为本次检修工期相对较紧张，设备本安置在三联换热器的最中间位置，没有返厂进行检查、修理的客观条件。鉴于冲刷腐蚀历时相对较长，下管板结构发生损害造成出现了十分严重的泄漏问题，并且由入孔进入高度仅有1.4 m的操作空间中开展检修作业，焊接部位选定成仰脸，增加了操作难度。本次维修有关检测、测评、焊接等工序执行过程均符合国内外压力容器相关的法规及标准条款。拟定如下的修复方案[3]：

(1)渗透探伤检查下管板。

(2)通过观察发现存在冲刷作用、裂纹病害及泄露较严重的位置，通过现场实地取样的方法截获一小段管材的试样(50 mm×15 mm)，历经化学元素分析、金相复膜检测检验过程后，探究可能导致应力开裂、腐蚀的原因。在获得相应结论以后，进行综合论证。

(3)在项目现场辅助应用手砂轮和金属磨头磨除形成缺陷的位置，配合无损渗透探伤技术，确认缺陷被完全消除后，才可以采用适宜的方法修补缺陷，使其恢复至最初状态。

(4)编制科学、合理的焊接工艺，为工人在项目场区进行焊接操作创造便利条件，以上过程中要督导工人严格依照焊接工艺规程操作。

(5)把缺陷细化成多个区域，缺陷修复时按照由难到简、由大到小的原则进行，在每次修复工序结束后，利用配置好的肥皂水去检测其渗漏情况。

(6)对MS-1241进行气密性试验检测，并且要配合应用氦检仪执行氦检过程。

4.1 悍接工艺

4.1.1 分析母材焊接性

通过阅读ASME IIA篇，查获MS-1241的材料构成情况，发现合金元素含量的占比相对较高，焊缝与热影响区均是容易形成淬硬组织的主要部位，对氢引起的裂纹问题表现出较高的敏感性，如果接头应力偏大时，形成冷裂纹的风险会显著增加。

4.1.2 焊接方法和选择适宜的焊材

为了能使焊接质量得到一定保障，本课题决定采用钨极氢弧焊，参照ASME锅炉压力容器手册的建议，MS-1241投用过程中管程温度最高能抵达399℃，故而选用镍基焊丝ERNiCr-3作为焊材，这是在高温条件下焊缝能维持较高强度的重要基础[4]。

4.1.3 确定焊接工艺

焊接操作阶段为了能减缓焊接焊的冷却速率，降低焊缝与热影响区的淬硬性，改善焊接接头的抗裂性能，建议工人在正式开焊前对焊缝进行局部预热处理，温度要保持在150 ℃之上，焊缝两侧端的预热范畴＞100 mm。科学设定焊接的具体层数，将实际缺陷深浅度设定为重要依据之一。建议配合使用小电流迅速多层多道焊，要求各条焊缝均要一次持续焊成。多层焊接环节中，应该加强对层间温度的控制，确保其能始终高于预热温度，起焊之前预热，要维持温度＜200 ℃，进而规避焊接阶段形成组织晶粒粗，进而弱化焊接接头的机械性。焊接之前还应该清洁处理缺陷两侧＞50 mm区域中的锈蚀、油污等异物。焊接过程中，建议选择直径Φ2.4焊材钨极，维持氢气流量10～15 L/min氢气纯度维持99.99%左右。

4.2 检测焊接情况

4.2.1 宏观检测

修复焊接结束后，彻底清理掉焊迹、焊渣、飞溅物等杂物，宏观检测焊缝与母材过渡圆滑状况、焊缝表层裂纹生成、夹渣熔合以及气孔形成等质量缺陷问题，确保其质量符合相关标准要求。

4.2.2 无损渗透探伤检测

经补焊处理以后，利用无损渗透探伤技术进行检查，确保其质量合格[5]。

4.2.3 耐压、气密性检测

对MS-1241壳程开展耐压性试验(5.39 MPa)，认真检查是否发生渗漏问题，确认其检验合格以后，确定其修复效果达标以后，二次进行无损渗透探伤检测。MS-1241进行气密性试验(4.3 Mpa)，病添加适量氦气配合氦检仪氦检测合格。

5 结语

历经以上修复检测操作后，设备质量合格，设备能较好的满足既有工况条件，病出具了合格检测报告。回顾本次的研究过程可以认定意外停车导致设备急剧降温，在以上过程中形成严重的应力集中问题是引起裂纹、诱导裂纹拓展的主因。若能规范地实施以上修复方案，则能有效解除焊接缺陷问题，较好的满足了设备短期内正常、安全使用的现实需求。