汽化塔汽化器失效分析

任国栋

摘 要：本文通过对汽化器泄露分析，得出氯硅烷的介质的失效模式，并提供了关于失效分析的基本思路，提出了使用过程中的注意事项，为今后使用单位的生产安全提供了技术支持。

关键词：汽化器;泄露;氯硅烷;失效模式

汽化塔汽化器是用来将塔内的氯硅烷加热到蒸气态，然后由塔顶经T903分离后输送到三氯氢硅和四氯化硅相应的储罐中，进行下一步的工艺合成。汽化器E922与汽化塔T903是连通器，上下封头及换热管里面充满氯硅烷，壳程外面的蒸汽对管程内部的物料进行加热，加热后的物料以气态的形式由汽化塔上封头出口输出到精馏塔T904，气态的氯硅烷通过精馏塔T904进行分离，分离出来的三氯氢硅和四氯化硅经冷却后分别存入相应的储罐中。2013年8月，某公司購买E922汽化塔汽化器。2013年12月安装完毕并进行整体试压。2014年1月开始运行，开车运行约10天后，由于工艺调试而停车。同年6月开车，负荷约3%。直到2014年12月，发现第一台E0413泄漏，随后发现E922升压异常，一个月后打开E922换热器封头，发现换热管被水解产物堵塞，因此，才发现汽化器存在泄漏问题。

1 压力容器宏观检查

1.1换热管检查

通过对换热管进行宏观检查，发现换热管已经生锈，换热管内部充满产物已经堵死换热管;换热管蒸汽入口未见任何附作物，而在冷凝水出口侧有较多腐蚀产物附着在换热管上。换热管外表面有较多腐蚀小坑，小孔，有的已经完全穿孔。部分换热管内表面局部区域有少量的小孔，小坑;而有些换热管内表面有大量的蚀孔、小坑。换热管与折流板应该存在缝隙腐蚀，但实际过程中缝隙腐蚀并不明显，说明：（1）蒸汽介质比较干净;（2）使用时间不够长。

1.2管板检查

高温侧管板局部腐蚀形成凹面，凹陷深度约2mm。焊缝余高已经完全腐蚀，换热管与管板已经剥离。

冷凝水出口侧的管板已经腐蚀，主要表现在换热管减薄严重，表现为全面减薄，最薄部位约1mm。

2 理化及无损检测

2.1管板密封焊无损检测

对管板部位按照出厂资料里面的检测部位进行检测，未见相关显示，但局部地方强度焊焊缝已经彻底腐蚀掉了，只剩下管子和管板，没有焊缝了。

2.2换热管渗透检测

通过对换热管内壁和外壁进行渗透检测，未发现裂纹，但有腐蚀坑和连续的点状腐蚀。说明：换热管不存在应力腐蚀开裂。

3 换热管泄漏分析

3.1夹杂物检测

将对3个有腐蚀穿孔的换热管打磨抛光，放大100倍进行夹杂物观察，未见明显夹杂物。

3.2金相检验

将对3个有腐蚀穿孔的换热管进行金相检验，除正常的奥氏体组织和少量的孪晶外，未发现其他相，组织为奥氏体+少量孪晶，符合标准要求。

3.3换热管外部扫描电镜检查

将两个不同换热管制样进行电镜检查，发现有较多的腐蚀孔，腐蚀孔周边有相互毗连的小腐蚀孔，表面的氧化铬保护膜已经破坏。腐蚀特征符合氯离子腐蚀形貌的特征，腐蚀孔里附着了较多腐蚀产物。经能谱检测均发现有CL元素。

3.6换热管外部腐蚀产物能谱分析

通过能谱检测可以发现，内部CL元素，S元素含量较高，其中CL原素对不锈钢腐蚀起到决定性的作用。但是，S元素的来源可能是来自外界雨水。

3.7换热管内部电镜及能谱分析

取未水解的“干净”换热管刨开进行内部电镜及能谱检测，发现具有点蚀现象，且腐蚀产物较多，点蚀特征符合氯离子腐蚀特点。经能谱分析，且CL元素，S元素，硅元素含量较高。其中CL元素会发生点蚀现象。

由换热管内外能谱图对比可以发现，内部CL元素较高，远远高于外部的CL元素含量，由此可以断定，CL元素是内部产生的。因此，换热管由内到外腐蚀穿孔的现象便得到了解释。

3.8 X射线衍射分析

1号样品为换热管外附着的产物，且潮湿，且氯化铁的含量最高，说明在泄漏发生后，被水解产物覆盖形成酸性条件下的垢下腐蚀，经长时间的腐蚀，里面的氯化铁含量自然是很高，这样腐蚀产物的结论相一致。

2号样品为碳钢壳体上面附着的铁渣碎片，经分析，发现里面的氯化铁含量已经达到最高，说明该部位位于强酸性的环境下形成的腐蚀，这说明泄漏发生后，物料氯硅烷与水反应生成的HCL溶于水形成酸性较强的盐酸，碳钢壳体与盐酸反应导致的产物。且碳钢壳体发生严重减薄也是由于盐酸腐蚀造成的。

3号试样为干燥的附着于换热管外壁的浅黄色粉末，说明是最先发生水解时的状态。

4 失效分析

4.1换热器泄漏部位的确定

通过对换热管的逐一检查，发现换热管的腐蚀孔是由内壁到外壁腐蚀穿孔的。而氯硅烷物料中并不含有卤素元素，特别是游离态的氯元素或者氯离子。这是由于壳程的水蒸汽进入到了管箱内造成的水解反应而生成白色的SiO2絮状物。上封头管板有大量的絮状物附着在管板，且局部较厚，而下封头没有絮状物附着，说明，蒸汽是由上封头管板泄露到管箱内造成化学反应的。白色絮状物为SiO2的水合物。

4.3.2泄露点的查找及验证

通过对换热器上下两管板及胀接焊缝进行渗透检测，管板本体及强度焊焊缝均未发现缺陷。通过上封头管板的宏观形貌发现，有局部一小部分强度焊焊缝已经被完全腐蚀掉了。腐蚀区域可以看到，强度焊焊缝已经彻底腐蚀掉了，换热管端部已经与管板分离。

4.4强度焊焊缝腐蚀成因分析

由于水进入管箱发生反应生成SiO2和盐酸，因此管箱内覆盖到管板上，生成的盐酸，盐酸由上管箱沿着管程内部进入到下管箱，因此下管箱在立式的状态下盐酸含量非常高。随后发现泄漏后从装置上拆下来放到平地上。此时，上封头管板SiO2覆盖部位存在垢下腐蚀，经过约2年的时间，强度焊焊缝被完全腐蚀掉了。其他地方SiO2覆盖区域较浅，水汽容易蒸发，因此没有覆盖层厚的地方腐蚀严重。该部分焊缝腐蚀完毕，且管板SiO2覆盖范围内已经腐蚀，管板内凹，是由于水解后的白色絮状二氧化硅附着在管板上，且较厚，在酸性条件下形成垢下腐蚀，因此局部腐蚀内凹，内凹深度约2mm。

4.5管束端全面腐蚀成因分析

拆装下来的换热器存放于废料场，未经任何处理，换热管依旧处于强酸的腐蚀中，当PH值低时（在强酸溶液中），金属易发生严重的全面腐蚀，而不是点蚀。因此，在管板处换热管全面减薄剩余壁厚不到1mm，有的地方已经壁厚已经完全腐蚀完毕，是由泄漏以后形成的强酸环境下造成的，并非最初的泄漏。

4.6换热管强度焊焊缝泄漏原因分析

4.6.1强度焊焊缝存在薄弱部位

经过工作人员的操作，局部强度焊焊缝存在薄弱部位，受应力的影响造成开裂，导致泄漏。

1、换热管管束材料的化学成分、硬度、金相组织、晶间腐蚀，固溶处理等均满足标准要求，但部分换热管晶粒度偏大，晶粒偏小，对抗晶间腐蚀有不利影响，

2、换热管腐蚀穿孔是由于发生泄漏后遇水反应生成盐酸，由盐酸长时间在管道内部腐蚀造成的;

3、换热器封头壁厚、内部缺陷，表面缺陷等均满足标准要求，但换热器封头与法兰焊接缝有缺陷，按照当时检测现场的试样的情况下，其级别评定为III级。

4、换热器筒体及封头焊缝射线检测结论满足标准要求;

5、换热管泄漏常规做法是堵管，更换换热管代价较大，对于本压力容器放置2年的时间来说，不具有维修价值;

6、压力容器的设计满足标准要求;

7、换热器管板与换热管连接的强度焊焊缝存在薄弱位置以及操作过程中开车-停车-开车的环节中由升温和降温导致热应力冲击是主要原因。

5 建议

（1）加强强度焊焊缝探伤及焊接质量，尽量减少焊缝存在薄弱部位。

（2）对设备开、停、升温、降温过程应该平缓，使设备运行平稳。