苯乙烯装置三联换热器泄漏原因分析与改进措施研究

盛楠，米孜拉夫·麦麦提，张小伟，孙康，吴运民

（中国石油独山子石化分公司乙烯厂，新疆 独山子 833699）

某厂苯乙烯装置三联换热器分别指进料汽化器E-2201、脱氢反应进料/出料换热器E-2202、高压蒸汽发生器E-2203,是苯乙烯装置脱氢反应单元关键静设备，三台换热器管程串联在一起，通过焊接连接组成一个整体。其中进料汽化器E-2201自2009年开工投用以来，曾发生多次泄漏，造成装置停工检修，影响装置安全生产及经济效益。2021年1月24日发现三联换热器出口温度有所降低（由正常125.5℃降低至114℃左右），结合历次三联换热器泄漏的现象，初步怀疑进料汽化器可能存在泄漏，为进一步验证此现象，车间立即组织对三联换热器进出口取样，取样对比换热器进出口组份确实存在差异，车间多次组织取样分析，确认三联换热器管程的进出口物料乙苯含量和苯乙烯含量差异较大，确定进料汽化器再次发生泄漏。所以彻底分析三联换热器泄漏原因，并提出改进措施，消除该设备隐患，延长设备使用寿命，对确保装置的安、稳、长、满、优运行有着重要的意义。

1 流程简述

进料EB与饱和的ILP蒸发蒸汽混合，分别由两侧进入三联换热器一段的进料汽化器E-2201壳程中，乙苯在此换热器中被汽化，汽化后的蒸汽和乙苯进入进出料换热器E2202壳程中被过热，过热的EB/蒸汽物流与过热的稀释蒸汽混合后进入脱氢第一反应器开始反应。反应器出料经过E2202的管程、E2203的管程、E2201的管程被冷却至125.5℃进入后系统。

2 历年检修情况

进料汽化器总管束3652根，2009年9月装置开工投入使用，至2019年8月装置大检修更换，运行10年，期间共发生过4次泄漏。2019年大检修更换后，在2021年1月再次发生泄漏。

3 破拆情况说明

为彻底、准确的分析判断进料汽化器管束泄漏原因，车间对2019年大修拆除的旧设备壳体、管束进行破拆（外壁上开孔，逐层切割管束）检查。

打开壳体进料口处防冲档杆表面有明显冲刷腐蚀坑，防冲档杆两侧管束冲刷腐蚀严重，管束破裂。

在打开换热器中部第二至第三观察孔处也发现管束破裂穿孔情况，但是腐蚀形貌与冲刷腐蚀不同，主要以点蚀，坑蚀为主：分析因在此位置，乙苯和蒸汽的混合物温度为122.5℃，接近全部汽化，气液混合物汽化过程中产生气泡，并伴随气泡破裂，所以对此区域管束破裂初步判断为空泡腐蚀（气蚀）造成，此部位内壁板处同样坑蚀严重。

图1

4 取样检验与检测情况

对部分泄漏的管束，进行理化分析，大部分样品肉眼可见已明显减薄，断裂部位附近减薄明显，断裂边缘呈刀刃状，选取样品的断口进行厚度测量，发现断裂处最小壁厚到了0.72mm。

对样品未明显减薄的管束取样，使用光谱仪进行成分分析：管束的检测结果满足SA179化学元素含量的要求，与设计要求一致。

对管束的横截面进行粗磨、细磨抛光腐蚀后观察金相组织，样品母材金相组织为铁素体加珠光体，外壁未见有氧化层，有大量不连续的腐蚀坑，仅在腐蚀坑底部存在氧化层；内壁腐蚀坑较少且相比外侧腐蚀坑底较浅。由此可以看出，管束组织正常，管束内、外壁均有腐蚀，但是外壁相比内壁腐蚀更加严重。

对样品使用维氏硬度计进行硬度检测，减薄区域和未减薄区域的硬度检测结果差异不大；对样品裸露出金属光泽的减薄区域进行清洗，观察管束外壁表面有大量的圆形蚀坑，边缘有波浪状纹路的线条，一边浅一边深，具有一致的方向性，圆形蚀坑底存在麻点状小蚀坑。样品的微观形貌表明，管束破裂减薄区域表面有大量的、连续的圆形腐蚀坑，并带有方向性，有明显的冲刷腐蚀和汽蚀特征，因此判断管束减薄、破裂应是冲刷腐蚀和空泡腐蚀共同作用的结果。

5 2021年4月检修情况

根据以往管束泄漏和旧设备破拆情况，选定进料口两侧和中间泄漏区域管束进行电涡流抽查。

本次共抽检换热管166根，检测结果壁厚损失大于60%换热管共11根；壁厚损失50%～60%管束共5根；壁厚损失40%～50%管束共11根，壁厚损失30%～40%管束共20根，壁厚损失小于30%管束共119根，减薄区域均位于换热器进料两侧。上水试漏发现泄漏管束64根，漏点主要集中在进料口两侧及东侧进料第4排。

使用内窥镜对东侧和西侧进料口第一排管束进行观察，发现泄漏点位置在从上管板往下7020～7070mm处，换热器管束总长度7275mm，漏点均在换热器下部两侧进料口部位，且管束已被冲刷断裂，与破拆情况一致。使用内窥镜对进料第4排泄漏管束进行观察，发现泄漏大部分集中在上管板下部4900mm处，低于理论汽化点位位置，根据破拆情况，判断此处泄漏原因为物料汽化造成管束空泡腐蚀泄漏。

6 工艺参数分析

进料汽化器管程是脱氢反应产物粗苯乙烯、烃类和水，含少量的H2、CO2的混合物，介质正常工况下为全气态，对管束内壁不存在酸性腐蚀。壳程是乙苯和蒸汽混合物，从取样分析来看，腐蚀产物中主要是C、O、Fe，腐蚀性元素很少，腐蚀性轻微。但是壳程进料乙苯与水形成共沸进入换热器后，由于流体中夹杂着大量的气泡，受到管束内热介质的加热，温度升高，压力增大，造成流体中的气体溢出加速，流体速度加快，在入口附近对管束外表面形成较大的冲击。同时气泡与高温的管束接触后发生破裂，又不断冲击管束。受防冲杆及折流板的阻挡，物料在流动过程中，在管束局部区域产生涡流，伴随气泡的迅速生成和破灭，对管束同时造成冲刷和空泡腐蚀导致管束泄漏。直到壳程物料温度达到122.5℃，气相分率达到100%，物料全部汽化，腐蚀速率降低。

7 改进措施

（1）加强日常工艺纪律管理，脱氢反应单元升降负荷操作应少量多次，确保进料负荷平稳调整。严格监控三联换热器管程出口温度变化，出现异常下降及时取样分析，确定泄漏及时组织处理，防止泄漏管束断裂后造成更多管束损伤泄漏。

（2）脱氢反应催化剂一般使用周期为24～30个月，建议每次在换剂窗口期对三联换热器壳程进行上水试漏，发现管束泄漏及时堵管消除隐患。对泄漏管束区域进行电涡流检测，对发现减薄超过50%管束进行预防性堵管。对进料管口防冲杆两侧区域进行预防性堵管。

（3）升级换热管材质，由原SA 179材质升级至耐磨性能更好的SA213t22材质。此方案在国内某些苯乙烯装置已应用，目前运行稳定，管束未发生泄漏情况。

（4）根据GB/T 30579-2014气蚀防护措施中描述，可通过降低流速来有效降低气蚀损伤。

方案一：在进料预热器E-2201前再增加一台乙苯汽化器，乙苯和水蒸气混合物先进入乙苯汽化器进行过热，形成饱和气体后再进入进料预热器E-2201中继续加热，这就很大程度上降低了乙苯和水蒸气混合物在进料预热器E-2201中的空泡腐蚀情况，此方案还应当考虑三联换热器热平衡和应力平衡等问题，改造工程量较大。

方案二：对进料预热器E-2201进料形式进行改造，可将原设计的对向两侧进料改为环向进料，降低进料流速。同时对进料口防冲档杆和折流板形式进行改造，此改造方案施工量较小，可执行性较强。

通过对苯乙烯装置三联换热器E-2201管束泄漏原因分析和相应的改进措施，消除了管束泄漏隐患，延长了设备使用寿命，从而达到装置安、稳、长、满、优运行目的。