苯胺冷凝器换热管泄露失效原因分析及对策

杨明涛梁 鹏杨云雨胡 平

（1.中国石化集团南京化学工业有限公司 南京 210048)

(2.南京市锅炉压力容器检验研究院 南京 210002）

苯胺冷凝器换热管泄露失效原因分析及对策

杨明涛1梁 鹏2杨云雨2胡 平2

（1.中国石化集团南京化学工业有限公司 南京 210048)

(2.南京市锅炉压力容器检验研究院 南京 210002）

针对苯化工装置冷凝器换热管早期失效的问题展开讨论，提出造成腐蚀穿孔的几种原因，阐述造成腐蚀的原理。结合实际，提出改变结构形状，进行防腐处理，改善循环水质等措施，避免泄漏的发生。

垢下腐蚀； 穿孔； 循环水

某厂苯化工部年产10万t苯胺装置在累积运行约520天后，苯胺冷凝器有91根换热管发生泄漏，失效的苯胺冷凝器导致苯胺装置非计划停工。为了避免此类事故再次发生，本文对苯胺冷凝器失效原因进行了分析并给出改进措施[1]。

1 概述

某化工厂苯化工部苯胺冷凝器（位号E-2204B）于2010年5月投入使用，2011年12月在使用过程中出现大面积泄漏，及时采用堵管措施仍不能消除泄漏，后对该设备本体解剖发现换热管管束存在大量腐蚀穿孔现象[2]。

苯胺冷凝器结构为固定板管壳式换热器，由上管箱、壳体、管板、换热管、工艺接管等部件组成。其技术参数见表1。

表1 苯胺冷凝器主要技术参数

2 检查

2.1 宏观检查

经检查，苯胺冷凝器上下管板及其换热管内部完好，没有明显的减薄现象，换热管与管板的焊缝表面光滑完好如初。堵管主要集中在冷却水和苯胺的进口侧。在冷凝器壳层，在筒体与隔板、换热管的空腔与缝隙间堵塞了大量的淤泥状沉积物，换热管上有大量的垢层，部分换热管外部局部区域有隆起的小鼓包（见图1）。清除换热管外表面的垢层后，观察管外表面的宏观形貌，换热管外表面锈蚀较为严重，粘附较多白色和深褐色腐蚀产物。绝大部分管外壁呈现坑坑洼洼，坑洞大小不同，深浅不一，穿透管壁的孔洞隐藏在垢层下（见图2）。

图1 未清洗的换热管束

图2 割下后清洗过的换热管

2.2 取样管及部分腐蚀产物分析

● 2.2.1 扫描电镜观察分析

管子表面及断口边缘上粘附物有的呈颗粒状，有的呈现出“泥纹状”花样，见图3和图4。这种“泥纹状”花样类似于金属材料在特定环境中发生应力腐蚀的特征形貌。

爆破的断裂断口基本上被腐蚀产物所覆盖，经过清洗后有的部位还能观察到断口形貌，在扫描电镜1000×以上观察，1#换热管爆破的断裂断口沿晶裂纹（二次裂纹）断口形貌比较清晰，沿晶断裂的晶面还存在微孔和“鸡爪状”形貌。

图3 2#换热管表面“泥纹状”腐蚀产物形貌

图4 3#换热管表面“泥纹状”腐蚀产物形貌

● 2.2.2 能谱分析

3#换热管表面沉积物和“泥纹状”腐蚀产物经过能谱分析，结果见图5。

图5 3#换热管爆破口断裂面沉积物能谱分析结果

● 2.2.3 金相组织分析

2#和3#换热管局部爆破口附近横向截面被磨制成金相样品进行宏观和显微金相组织分析。从2#和3# 换热管横截面的金相磨制面可以看出，换热管壁截面外圆局部有局部减薄现象，内圆形状还较完整，说明换热管的腐蚀是由外向内局部逐渐减薄，(见图6)。

在金相显微镜100×下测量，2#换热管减薄剩余管截面为1.14mm（图6箭头1）所指处。3#换热管减薄剩余管截面分别为0.173mm（图6箭头2）和0.136mm（图6箭头3）。

在金相显微镜200×观察，2#和3#换热管外圆局部减薄部位金相组织均存在沿晶裂纹，管截面中间部位金相组织为铁素体+珠光体，(见图7)。

图6 2#和3#换热管爆破口附近横截面局部减薄宏观形貌

图7 2#和3#换热管管截面金相组织

● 2.2.4 力学性能

1#换热管经过力学性能测试结果见表2。

表2 1#换热管力学性能测试结果

● 2.2.5 化学成分分析

选择1#换热管进行化学成分分析，分析数据见表3。换热管的化学成分符合GB/T8162中规定的GB/ T699中20钢技术要求。

表3 1#换热管化学成分分析结果

3 失效原因分析

宏观检查得知：该设备腐蚀严重的地方集中在循环水流动较差处，此处易造成大颗粒物质以及钙、镁、硫酸根等离子的富集浓缩并最终形成垢层，但垢层表面疏松，且多间歇、孔洞及裂纹，不能对管壁形成保护屏障，最终造成碳钢管孔蚀。2#和3#换热管管壁的金相组织中存在沿晶裂纹，且由外向内逐渐被减薄，并被沉积物所覆盖，推测此部位可能与沉积物中存在使其产生腐蚀介质有关。

换热管的化学成分、力学性能分析结果均符合GB/T8162《结构钢用无缝钢管》标准中20#钢技术要求，其金相组织形态也相符。能谱分析结果表明，1#、2#、3#换热管外表面黄、白色沉积物中含有O、Na、Mg、Al、Si、P、S、Ca、Zn、Fe元素。换热管管壁部位的金相组织中存在沿晶裂纹可能与沉积物中存在上述元素使其产生腐蚀介质有关。分析得出：Fe是20钢基体元素，Zn元素的存在可能换热管为镀锌（Zn）管或者环境中存在的Zn附着在管子的表面，而O、Na、Mg、Al、Si、P、S、Ca含量均较高应为使用环境中存在的元素[3]。

4 结论

苯胺冷凝器失效与材料、介质、温度、压力无关。换热管的穿孔泄漏是冷却水的腐蚀引起的。该冷凝器使用的冷却水通过离心泵压至30m高的位置时流速变慢以及循环浓缩后，含有较多的悬浮于水中的物质。而其中的钙化合物的溶解度随着温度的升高而降低，从水中析出在外管壁表面形成沉积物或硬垢。这些物质由于换热管的表面不平整会在管外壁沉积吸附，换热管原始外表面粗糙不平整、不清洁促进了成垢；同时氧去极化腐蚀使碳钢中的铁成为铁锈也附着在管壁上，这些沉积物质便形成垢层，部分成为垢层缝隙和垢层隆起。垢下腐蚀的产生是因为在0.1～0.3mm宽的缝隙内存有的液体不能流动，使缝隙内的氧消耗后难以得到补充遂成为缺氧区。缺氧区域的传热管壁是阳极，而其余没有垢层的管壁或垢层与管壁间隙较大处的管壁则因为有饱和氧而成为阴极，发生氧的还原反应。缝隙内外构成了宏观的氧浓差电池。大阴极小阳极的组合提供了腐蚀过程向金属深处快速推进的条件。另外，如果冷却水中有硫酸根离子存在，则为保持缝隙内溶液的电中性，硫酸根离子会迁移到缝隙中，引起缝隙中溶液进一步酸化，成为氧浓差电池腐蚀(闭塞电池)的自催化过程，使缝隙腐蚀加剧直至穿孔。

5 对策

对于苯胺装置苯胺冷凝器，主要是防止局部腐蚀，尤其是垢下腐蚀提出以下建议[4]：

1）应会同原设计，对苯胺装置的工艺参数进行复核。在不影响冷却效果和改变外形尺寸的情况下，减少换热面积，增大换热管间距以此达到增大循环水流道。增加循环水在冷凝器的流动速度，在供水管道增

Analysis on Leakage Causes of Aniline Condenser Heat Exchanger Tube and Countermeasures

Yang MingTao1Liang Peng2Yang YunYu2Hu Ping2
(1.SINOPEC Nanjing Chemical Industries Co., Ltd Nanjing 210048)
(2.Nanjing Boiler & Pressure Vessel Supervision and Inspection Institute Nanjing 210002)

Focusing on the problem of the failure at early period of condenser heat exchanger tube of benzene chemical plant installations, puts forward several causes of corrosion perforation, and expounds the theory of corrosion. Integrating theory with practice puts forward countermeasures, such as changing the structure and shape, using preservative treatment, improving recycled-water, etc. so as to try to avoid leakage.

Corrosion scales； Puncture； Circulating water

X928.3

B

：1673－257X(2014)05－37－03

杨清明（1978-），男，本科，工程师，从事承压类特种设备管理。

2013－11－26）