D1809中/高压凝液闪蒸罐故障分析及其改进

陈希锐

(中国石化仪征化纤有限责任公司BDO部，江苏仪征 211900)

1 设备概况及发现的问题

自某公司MAH装置开车的近几年以来，随着单元蒸汽系统中压蒸汽通过D1809中/高压凝液闪蒸罐进行闪蒸得到低压蒸汽的处理量不断增大，从而导致D1809罐超负荷运行，罐体出现振动明显增强，运行噪声明显增大的现象。

2020年2月，通过停车进罐检查发现D1809的N5入口管线防冲刷板脱落，并存在侵蚀穿孔的现象，同时罐体内壁也存在严重的冲刷腐蚀、减薄，如图1所示。

图1 防冲刷板受力图

2020年9月，D1809罐的N2蒸汽入口管线内壁本体上出现减薄、穿孔，蒸汽部分泄漏，严重影响装置的安全生产，随即进行带压堵漏处理。

2 技术参数及工艺原理

2.1 技术参数

D1809中/高压凝液闪蒸罐工作介质为工艺冷凝液，工作压力0.38 MPa，工作温度150 ℃，设计压力0.5 MPa，设计温度200 ℃，筒体材料Q345R。

2.2 工艺原理

利用物质的沸点随着压力增大而升高的基本原理，闪蒸是通过将高温高压的饱和液体进入较低压的容器中后，由于压力的突然降低使得这些饱和液体变成容器压力下的饱和蒸汽与饱和液体。闪蒸罐就是利用上述原理工作的，但闪蒸现象是凝液经过最后一道角阀后，在管道内就瞬间发生的，而闪蒸罐的作用只是提供流体迅速汽化和气液分离的空间。

3 故障分析

3.1 氧化膜破坏及材料除去的机理[1]

一般情况下, D1809中/高压凝液闪蒸罐投入运行的初期，在罐体内壁和管道内壁上会形成一层氧化膜,与母体结合较紧密,能在一定程度上阻止与外界介质的接触，抑制腐蚀。而入口管道和防冲板内壁材料却不断地被除去就表明在运行中必然存在对氧化膜破坏及材料除去的过程。

(1) 热应力和活性阴离子对氧化膜的破坏作用：蒸汽和水对金属交替作用，使管壁温度大幅度波动，可能使母体金属与保护性氧化膜之间产生内应力，当其达到一定温度时，由于金属与氧化物的导热性和膨胀系数不同，在应力作用下就会使保护摸损伤或剥离。当介质中有某些活性阴离子(如在蒸汽给水中含氯离子时)，它们首先吸附在金属表面的某点上，对氧化膜产生破坏作用。

(2) 气蚀 ：腐蚀理论中气蚀被称为空泡腐蚀。气蚀是电化学腐蚀和汽(气)泡溃灭时的冲击波对金属联合作用的结果。 气蚀的常用定义是,由于流体的湍流或温度变化,引起局部压力下降,使溶解气体析出或介质汽化,形成空泡。当气泡在运动过程中因压差而破坏时,产生冲击波,形成微射流,压力可达几千大气压。使金属保护膜破坏，引起金属的局部变形,甚至将金属粒子撕裂。膜的破口处金属又遭腐蚀重新生成膜,若在同一点又形成气泡,又溃灭,如此反复进行。气蚀时,汽(气)泡溃灭产生的冲击波和微射流不但使氧化膜破坏,而且还会使母体材料疲劳脱落,继而形成疏松的蜂窝状组织、疏松的组织很容易被后继的冲击波或冲蚀作用除去。

(3) 冲蚀：在腐蚀理论中，把高速流体冲击造成金属表面材料不断地被除去的现象称之为湍流腐蚀。高温高压下汽液两相流及三相流的冲蚀作用。冲蚀作用可以在单相液体中出现，如果第二相加入就会大大加速冲蚀作用。入口管道和罐内存在汽液两相流,平均流速大约为20 m/s，而且随着负荷的增加使流速进一步增大必然使冲蚀作用更剧烈。由于气蚀，两相流冲蚀或其它原因使腐蚀产物脱落，这些脱落的固体颗粒加入到水汽两相流中就形成固、液、汽三相流。流体束中如果含有固体颗粒,且固体颗粒硬度大,棱角尖锐,造成表面材料损伤就会相当严重。根据冲蚀理论，冲蚀率与颗粒硬度的2.3次方，速度的2.3～2.5次方成正比，所以三相流的冲蚀作用也是入口管道和防冲板内壁材料除去的重要原因。

3.2 运行负荷增加

D1809中/高压凝液闪蒸罐原设计为中压凝液约20吨，压力0.8 MPa，高压凝液12吨，压力1.0 MPa，现实际中压凝液流量约35吨，压力1.5 MPa,高压凝液12吨，压力1.0 MPa，如图2所示。可以发现在装置实际生产过程中，中压凝液量及其压力均大幅上升，超出原设计参数，而当入口管线口径不变的情况下，流量增加意味着流速增加，对管壁以及入口管线处防冲板的剪切与冲击也随之增加，防冲板所受侵蚀由中部向四周发散，见图1。

图2 中央控制室操作面板显示

且流体与金属壁作高速相对运动，在金属表面局部产生涡流或湍流，不仅会出现上述的冲刷腐蚀减薄，还会伴随着汽泡在金属表面迅速生成与破灭而引起气蚀。当流速足够大时，局部区域压力降低，当低于液体的蒸汽压力时，液体汽化产生汽泡，汽泡随流体进入压力升高的区域时，汽泡又会溃灭[2]。这一过程短时间反复发生，有着相当高的频次与数量，汽泡溃灭时会产生很强的冲击力，其微观机械冲击力强度在100～1 000 MPa之间，如同一个个细小的榔头敲击在金属表面上，从而导致了管壁等处的腐蚀破坏，防冲板的焊缝也在其力的反复作用下发生疲劳破坏而脱落。

3.3 罐体材料选择不当

D1809中/高压凝液闪蒸罐原设计选型时未考虑到气蚀对罐体材料的要求，选用了广泛运用于压力容器的Q345R材料，但其并非为耐气蚀材料，本质为碳素钢，抗氧化性能在现场工况下，选择不锈钢更为理想。因此，在运行负荷增大的工况下，材料选择不当会加速腐蚀的影响。

4 改造措施

4.1 改变罐的体积与管口结构

由于原有D1809中/高压凝液闪蒸罐已经不满足工艺需求量的增加，且已存在较大的安全隐患。因此，在尽量不改变现有管线管口位置的基础上，重新设计增大罐体体积，由原先设计的罐体直径1 200 mm 增至1 316 mm，罐体长由3 400 mm增至4 300 mm，以适应现有工艺需求量。并且使用变径法兰满足现有管线来增大入口管径，管径由原先的DN150增大为DN200，同时改变入口管结构，整体变为喇叭型管线入口，如图3所示。由于单位时间内，流速与汽蚀量正相关，增加角阀后的管线容积，起到减压、降低流体流速的效果，从而减少管壁气蚀以及防冲板的侵蚀与疲劳。

图3 喇叭型入口

4.2 改进防冲板结构

防冲板[3]由平板改成人字型板、分流疏导减少冲击的同时改善运行时的噪声情况，加厚防冲板减少其本身挠度，增加辅助拉杆防止防冲板脱落，增加筋板提高防冲板强度，如图4所示。

图4 人字型板

4.3 材料升级

考虑到实际工况中存在的气蚀现象，现在选用耐气蚀钢作为罐体的材料[4]。有研究表明具有均匀低碳马氏体组织的ZG0Cr13Ni4MO与ZG0Cr13Ni6MO有较好的抗气蚀性能，国外早有把马氏体沉淀硬化不锈钢作为耐气蚀材料使用的实例[2]。比如材料内较低的硫、磷含量对抗气蚀也有一定的效果，因此确定选用S30408不锈钢作为罐体以及防冲板的材料。

然后，根据工艺参数条件重新设计罐体体积，选择罐体材料后，厚度计算公式为：

(1)

其中pc为设计压力，Di为罐体内径，[σ]t为设计温度许用应力，φ为焊接接头系数。带入公式(1)得到理论计算厚度4.33 mm。考虑到设计的安全系数选择的罐体厚度为10 mm，由此再减去0.3 mm 的负偏差，9.7 mm 的有效厚度远远大于理论计算厚度4.33 mm，因此，该设计满足实际要求。

5 改造成果

系列改进措施完成后，新的D1809中/高压凝液闪蒸罐于年后投用，运行稳定，振动明显减弱，噪声明显降低，工况良好，消除了MAH装置生产的安全隐患，保证了装置的安全平稳运行。