ASTM SMO254板式换热器腐蚀的原因

刘志平，王莉，张伟

（1.南昌航空大学，南昌330063；2.陕西科技大学，西安710021；3.四川大学，成都610000）

失效分析

ASTM SMO254板式换热器腐蚀的原因

刘志平1，王莉2，张伟3

（1.南昌航空大学，南昌330063；2.陕西科技大学，西安710021；3.四川大学，成都610000）

某炼厂常压塔顶全焊接板式换热器（材质ASTM SMO254），在使用约半年时间即出现大面积腐蚀穿孔。从现场情况看，换热器常顶油气侧入口焊接面结垢严重，出现大面积铵盐沉积，清洗后发现，垢下发生严重腐蚀，甚至穿孔。本工作从工艺防腐蚀和换热器内部结构等方面对腐蚀原因进行了分析。结果表明：由于注水量的不足，导致铵盐在换热板表面结垢，同时“一脱三注”的不稳定，导致了严重的垢下腐蚀。

板式换热器；ASTM SMO 254；垢下腐蚀；常顶

1 概述

换热器的作用是将热流体的热能部分传递给冷流体，可以保证介质在工艺过程中达到特定温度，在生产中占重要的地位。据统计，在炼油、化工装置中，换热器约占总设备数量的40％，占总投资的30％～45％［1-2］。目前国内大部分炼厂常减压装置换热器主要采用管束式换热器，由于板式换热器传热效率、占地面积、灵活性等优点，部分炼厂开始使用板式换热器来代替管束换热器［3-4］。但板式换热器相对管束换热器在结构上存在很多的死角，容易导致内部结垢［5］。

某失效板材料为ASTM SMO254，厚度为1 mm，位于常压塔顶冷凝系统。ASTM SMO254不锈钢属于超级奥氏体不锈钢，其碳含量＜0.02％（质量分数，下同），低于316钢的，钼、镍、铬含量均高于316L钢，极耐裂缝侵蚀和氯离子开裂等［6-7］。

该板式换热器在使用短短半年内就出现大面积腐蚀，甚至穿孔。由于此前国内对板式换热器的失效研究较少，因此本工作分析其腐蚀原因，对板式换热器及SMO254材料在常顶冷凝系统的使用给出了一定的建议。

板式换热器常顶油气侧中间区域（常顶油气入口管覆盖处）比较清洁，周边区域焊接面结垢非常严重，边缘处还有垢物堵塞，大量垢物表层积有一层白色晶体。高压水清洗后，中间区域腐蚀不明显，表面光亮，无明显腐蚀；其余部位垢物清除后，垢下已经出现大面积点蚀，坑蚀，甚至穿孔。仔细观察穿孔处，发现其主要呈溃疡式穿孔，穿孔自焊接位置开始，为自外而内的腐蚀穿孔，见图1～3。

该组板式换热器工艺流程如下：常压塔顶油气（125℃，0.07 MPa）喷出，注入中和缓蚀剂、水，进板式换热器，而后经过空冷器、后冷器，进入常顶回流及产品罐。

换热器设计工况如下：原油侧压力2.21 MPa，入口温度35℃，出口温度61℃。常顶油气侧压力0.07 MPa，进口温度124℃，出口温度为85.1℃。而现场实际常顶油气侧进口温度为114.3～118.9℃，出口温度为77～81.5℃，与设计值相比稍有误差。

2 “一脱三注”控制效果情况

根据企业提供资料：该常减压装置主要加工含酸含硫原油，防腐蚀工艺采取“一脱三注”，运行期间各项指标控制情况见图4～6。

由图4～6可归纳出以下几个关键线索：

（1）二级电脱后盐含量偏高。《炼油工艺防腐蚀管理规定》中要求，脱后盐含量不得高于3 mg／L。2014年1～7月，二级电脱后含盐量合格率为83.2％，最高含盐量可达7.8 mg／L。若盐含量超标，原油中过多的无机盐就会进入装置，随着温度的升高，这些无机盐（如NaCl、MgCl2、CaCl2等）的水解反应加剧，会分解生成HCl，进而影响常顶冷凝系统的p H和氯离子含量，会引起和加剧腐蚀。

（2）常顶注水长期不足。注水的目的有两个：溶解氯化铵等固体盐类，不至于结垢；稀释HCl，控制p H。《炼油工艺防腐蚀管理规定》中要求，常顶注水量应控制在物流量的5％～8％。4月17日前，塔顶注水为塔顶物流量2％～3％；4月17日～7月31日，注水量提升到塔顶物料量的5％。现场调查得知，注水不足主要是由于注水泵功率设计不足造成的。常顶注水长期不足，导致后续设备和管道内析出的氯化铵等固体盐类无法及时溶解、带走，进而聚集形成垢物，最终造成垢下腐蚀，产生大量点蚀和坑蚀，甚至失效。同时，酸性物质得不到中和或稀释，也会增加腐蚀速率。

（3）常顶酸性水p H合格率低，波动较大。根据《炼油工艺防腐蚀管理规定》，注有机胺依据排水p H为5.5～7.5。2014年1月～7月份p H合格率仅为68.3％。常顶酸性水p H不合格，将直接导致盐酸腐蚀，露点温度附近腐蚀更为严重，而该换热器正好处于露点温度工段。

综合以上对于工艺和“一脱三注”效果的分析，通过基于风险的腐蚀分析方法可以得出以下结论：

（1）就设备的选材而言，该组换热器采用了很高级的选材，在工艺波动不大的工况下不应出现如此严重的垢下腐蚀问题；

（2）通过进一步分析发现实际运行过程中，由于常顶长期注水不足，电脱盐效果不稳定，常顶酸性水p H合格率低等，导致大量氯化铵等固体盐类在换热器内析出、聚集、结垢，造成了严重的垢下腐蚀；

（3）此次腐蚀调查发现该组换热器的腐蚀问题属于典型的H2S-HCl-H2O、NH4Cl-NH4HS［8-9］垢下腐蚀。

3 垢物成因分析

根据Pathfinder软件计算，塔顶水的露点温度为85.9℃，在此换热器出口温度范围内。同时，由于板式换热器是由一系列具有一定波纹形状的金属片叠装压紧而成，金属片间间距较小但变化较大，在边角处很容易形成滞留区［10］。而且常顶长期注水不足，电脱盐合格率不高，p H波动都使得该换热器内Cl－、NH4+、H2SO3、H2S及部分有机酸等腐蚀性介质含量偏大。总结前文分析，推测结垢的具体过程为：

（1）开工阶段，残余杂物、铁锈等在低流速区域聚集。2014年1月该套装置至建成后首次开车试运行。开工前期，装置会对所有设备及管线进行吹扫，但设备和管线中难免有些微小杂物、铁锈等无法全部清理干净。又由于该换热器板间距很小，设计上又存在滞留区，故残余杂物、铁锈等就很容易在该换热器的死角聚集。

（2）腐蚀性介质在冷凝液中反应，形成铵盐垢。腐蚀性介质Cl－的来源主要是原油中的有机氯分解和无机盐水解；NH4+的主要来源是注水（电脱盐注水和塔顶注水）或塔顶中和剂；S2－的来源主要是原油。由于电脱盐合格率不高，以致原油中的盐含量多次超标。原油中电脱盐后剩余的氯化盐在一定的温度下会发生水解生成HCl，随着温度的升高，盐含量的增大，水解率越高，生成的HCl越来越多。又由于现场设备问题，常顶注水泵功率不够，直接导致常顶注水长期不足，使得反应生成的HCl、H2S、NH3含量较高。高含量HCl、H2S、NH3的冷凝液很容易反应，生成NH4Cl和NH4HS溶液。初凝区水量极少，NH4Cl和NH4HS浓缩，杂物做晶包，这样NH4Cl和NH4HS就以结晶的形式析出。大量的NH4Cl和NH4HS固体聚集，又由于没有足够量水的溶解，冲洗，所以就形成了铵盐垢。

铵盐垢的形成又使得换热器内液体流动受阻，流速减缓，进而加速了垢物的聚集。

4 结论及建议

结合前文对该板式换热器设计情况、工艺情况及采样点数据等综合分析，得出该换热器短时间既发生严重腐蚀的原因有以下几点：

（1）注水不足造成铵盐和残余垢物（杂物、铁锈等）在低流速区域集聚造成腐蚀（垢污较多、流量不足、流量不均）是主因；

（2）二级电脱后含盐量合格率为83.2％，且稳定性不高；

（3）常顶酸性水p H波动较大，多次出现p H低于5的情况。

针对上述腐蚀原因，可以从以下方面改进：

（1）更新防腐蚀意识。根据设备选材相关规定，此处选择ASTM SMO254，在工艺条件波动不大的情况下，是不会出现腐蚀现象的。然而，在使用不到半年的情况下，该组换热器就出现严重腐蚀。这表明设备安全使用的关键不在材料，而在工艺的控制和日常的保养。

（2）对焊接面结垢采取预防措施。ASTM SMO254可使用在高含量氯离子、海水及酸性介质等苛刻环境中，某些情况下可与钛材媲美。然而焊接面的抗腐蚀性能却远不如其本身，特别容易发生垢下腐蚀失效。所以设计时，可在换热器入口面分布排水管，定期对入口面上的积垢进行冲洗。

（3）加强常压塔塔顶的工艺防腐，提高塔顶“一脱三注”防腐蚀效果。合格的脱盐可以很好地从源头上减小腐蚀的发生。足量的注水，可以及时冲走常顶结晶的盐类和稀释HCl。

（4）加强常顶系统腐蚀数据的监控，增加常顶污水p H在线监测设备，及时指导常顶工艺注剂方案的调整。加强常顶冷凝系统的定点测厚工作，将该换热器组及前后附属管线作为重点测厚的监控部位。

［1］ 董其伍，刘敏珊，苏立建.管壳式换热器研究进展［J］.化工设备与管道，2006，43（6）：18-22.

［2］ 程宝华，李先瑞.板式换热器及换热装置技术应用手册［M］.北京：中国建设工业出版社，2005：1-57，90-246.

［3］ 吉田敬堂，计范.板式换热器的最新动向［J］.化工装备技术，2013（6）：13-23.

［4］ 任书恒.板式换热器的应用及其发展前景［J］.石油化工设备技术，2011，12（1）：7-11.

［5］ 何光文.板式换热器结构参数优化及其传热性能研究［D］.广州：华南理工大学，2012：45-46.

［6］ 杨德钧，沈卓身.金属腐蚀学［M］.北京：冶金工业出版社，2003：122-162.

［7］ 杨崇麟.板式换热器工程设计手册［M］.北京：机械工程出版社，2004：32-35.

［8］ SOUTO R M，GONZALEZ-GARCIA Y，GONZALEZ S.Application to the investigation of degradation processes at defective coated metals［J］.Corrosion Science，2005，47（12）：3312-3323.

［9］ FRANKEL GS.Pitting corrosion of metal［J］.JElectrochem Soc，2008，145（6）：2186-2198.

［10］ 张铁柱.板式换热器应用中存在的问题及对策［J］.中国高新技术企业，2008（21）：117-125.

Corrosion Reasons of the Plate Heat Exchanger of ASTM SMO 254 Stainless Steel

LIU Zhi-ping1，WANG Li2，ZHANG Wei3
（1.Nanchang Hangkong University，Nanchang 330063，China；2.Shaanxi University of Science＆Technology，Xi′an 710021，China；3.Sichuan University，Chengdu 610000，China）

Perforation corrosion occurred in the tube sheet of plate heat exchanger in an atmosphere overhead condenser after service for half a year.The material of the tube sheet is ASTM SMO254.Severe scaling occurred on the surface of the plate of the heat exchanger and some ammonium salt was deposited.Severe corrosion，even perforation，was observed after cleaning the scale.The failure reason was analyzed in the view of the anti-corrosion technology and the constructure of the heat exchanger.The results show that the lacking of the water injection generated the deposition of the ammonium salt and the corrosion happened under the deposit，the instability of the technology also had some influence on the corrosion.

plate heat exchanger；ASTM SMO 254；under-deposit corrosion；overhead of atmosphere

TE624

：B

：1005-748X（2016）11-0932-04

10.11973／fsyfh-201611017

2015-05-18

刘志平（1985－），工程师，学士，从事石油化工企业腐蚀防护研究，13316346000，liu250028817＠sina.com