苯乙烯装置脱氢进料汽化器泄漏原因分析

郝新焕

（中国石油独山子石化分公司研究院，新疆 独山子 833699）

0 引言

某苯乙装置脱氢系统三联换热器21-E-2201/2202/2203作为给脱氢反应进料预热的换热器，是脱氢系统的关键设备之一，其中进料汽化器E-2201自2009年投用以来，发生多次泄漏，造成停工检修，影响装置长周期运行。为分析判断E-2201再次泄漏原因，对2019年大修拆除的旧E-2201壳体、管束进行破坏性切割，及对现用换热器进行涡流检测，以查明泄漏原因，后期采取针对性防护措施，防止泄漏情况继续发生。

1 工艺及设备简介

1.1 工艺流程

三联换热器主要作用是回收脱氢反应产物中的余热，用于产低压蒸汽，降低装置能耗。其中E-2201回收余热用于为脱氢反应器进料预热。

E-2201壳程：来自乙苯单元的新鲜乙苯和苯乙烯精馏循环乙苯与次低压蒸汽混合后，由换热器底部对称的两个入口进入进料汽化器E-2201壳程汽化和过热，然后再进入反应进料/反应出料换热器E-2202壳程和经过E-2201管程的第二反应器出口物料反应气换热，如图1所示。

图1 三联换热器流程

E-2201管程：第二脱氢反应器R-2101B的反应出料依次在脱氢反应进料/出料换热器E-2202管程、高压蒸汽发生器E-2203管程、进料汽化器E-2201管程中与反应进料乙苯/蒸发蒸汽逆流换热后被冷却，如图1所示。

1.2 E-2201设备参数（如表1所示）

表1 E-2201工艺操作参数

2 腐蚀检查

2.1 宏观检查

2.1.1 管板

从管板侧看，历次堵管主要分布在入口两侧，及两入口中间截面位置，如图2所示。管板表面光洁，管口无腐蚀情况。具体情况如图3所示。

图2 换热器21-E-2201堵管示意图

图3 E-2201管板管口

2.1.2 管束

在换热器正对入口的位置，可以看到在防冲杆的下部管束有明显的腐蚀，局部减薄严重区域穿孔、破裂。折流板左侧具有冲刷减薄、剥层状的腐蚀痕迹，边缘有明显的圆形的冲击坑；折流板右侧具有马蹄状、由外向内的腐蚀特征，表面无腐蚀产物积存，有明显的汽蚀痕迹。防冲杆表面有大量呈连续状的圆形冲击坑，部分腐蚀坑底深度超过3mm。如图4所示。

图4 正对入口的位置的腐蚀情况

在顺着流体流动的方向开口，发现第一层和第二层管束也出现破裂穿孔情况，但是腐蚀形貌与冲刷腐蚀不同，主要以点蚀、坑蚀为主，如图5所示。

图5 入口向上2m左右位置的腐蚀情况

再向上，入口顺着流体流动的方向，开口，可以看到管束完整，无明显局部腐蚀、穿孔现象。检查了壳程两出口位置，内部管束光洁，无明显腐蚀情况。如图6所示。

图6 入口向上4m左右位置的腐蚀情况

2.1.3 折流板

在流体接近全部汽化部位，可以看到此处的管板上密布圆形的腐蚀坑，如图7所示。

图7 接近全部汽化位置折流板的腐蚀情况

2.2 检验与检测

2.2.1 金相分析

入口减薄区域和未减薄的进行取样，观察管束的横截面金相组织。均可以看出母材金相组织为铁素体+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，坑底较浅。

图8 管束金相组织

由此可以看出，E-2201管束组织正常，管束外壁、内壁均有腐蚀，但是外壁相比内壁腐蚀更加严重。也就是E-2201管束泄漏主要是由于壳程介质导致的。

2.2.2 扫描电镜分析

对腐蚀减薄区域进行清洗后，观察管束外壁表面（如图9所示），表面有大量的圆形蚀坑，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，有明显的冲刷特征。圆形蚀坑坑底存在麻点状小蚀坑（如图10所示），有明显的冲刷腐蚀和汽蚀特征[1,2]。

图9 减薄管束表面形貌特征

图10 减薄管束表面微观形貌特征

2.3 现用换热器检测情况

2019年投用的换热器在2021年4月、8月发生两次泄漏。通过涡流检测、内窥镜检查发现严重减薄及失效区域主要集中在管束下管板向上300～600mm（如图11的1#进料区）及2500mm左右位置（如图11的2#区域）。与旧换热器及流体模拟发生冲刷、汽蚀腐蚀的部位一致（如图11所示）。

图11 泄漏管束失效部位及流体模拟图

3 原因分析

工艺条件分析

E-2201壳程中是乙苯和水的共沸物[3,4]，表2为E-2201壳程入口流体工况。管束材质为碳钢，临界耐冲刷流速在8～9m/s。通过流体模拟得出换热器壳程介质（乙苯和蒸汽混合物）流速在9～17m/s。

表2 壳层出入口流体设计工况表

（1）气液混合物进入立式换热器后，由于流体中夹杂着大量的气泡，又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，流体速度也加快，在入口附近对外层阻挡了流动的管束表面形成较大的冲击。同时气泡与高温的管束接触，发生压力变化而在管束表面破裂，又不断冲击管束。受防冲杆及折流板的阻挡，在水平又向上的流动过程中，当流体与金属构件作高速相对运动时，在金属表面局部区域产生涡流，伴随有气泡在金属表面迅速生成和破灭，形成圆形的、马蹄形的腐蚀形貌。湍流破坏流体的原来的流速分布，在流体与金属表面产生切应力，能剥离金属表面的保护层，从而加大了冲刷和汽蚀的速度和破坏力，形成片状的撕裂的破坏形貌。而在入口附近，受防冲杆、折流板的阻挡，发生偏流，形成湍流的情况较大[5]。因而造成入口部位外部区域管束损伤情况严重。结合金相观察，应是局部金属表面受冲刷破坏后，又受到汽蚀的结果；

（2）介质往上流动的过程中，温度上升，气相分率不断升高，流速逐步加快。越靠近2#汽化区，液相越少，气相越多，液相冲刷逐渐减弱，气相空泡腐蚀逐渐加剧，直至距下管板5119mm左右位置（理论汽化区，122.5℃）完全气化后不再发生腐蚀；

（3） 2019年大检修后，苯乙烯装置负荷控制在69～71t/h运行；达到设计负荷的103%～106%，E2201气液相负荷增加如图12所示，导致壳程流速超过管束临界耐冲刷流速。

图12 乙苯蒸发蒸汽流量变化情况

4 结论及建议

4.1 结论

（1）E-2201管束泄漏是乙苯和水的共沸物在一定的流速下带来的冲蚀与汽蚀的共同作用的结果；

（2）泄漏主要发生在换热器入口到完全汽化的部位，其中入口部位外层主要是“液相冲刷为主、气相空泡腐蚀为辅”；内层及完全汽化区主要是气液相变造成的汽蚀；

（3）装置的高负荷运行，加剧了对管束的冲蚀及汽蚀。

4.2 建议

（1）控制装置负荷在67t/h以下运行，并加强装置工艺平稳操作，防止进料负荷大幅度波动、超负荷的运行；

（2）严格控制换热器进出口温差、压力，以防温差和压力过大，造成流体汽化速度过快，对换热器管束冲击增强；

（3）增加进料口，分散进料，降低流速，以减轻流体对管束的冲刷腐蚀；

（4）将防冲杆换成防冲板，且将换热器进料部位包裹一圈，根据腐蚀区域合理设计防冲板的宽度，减少物料对入口管束的冲击；

（5）考虑改造乙苯进料汽化器，将乙苯全汽化进料，消除管束液相冲刷风险。