乙烯装置稀释蒸汽发生器的失效机理分析及延寿措施
扬子石化 范根芳
摘要：通过宏观和微观腐蚀形态、微观组织和力学性能、电化学性能以及水质分析，对稀释蒸汽发生器的失效机理进行了探讨，结果表明该稀释蒸汽发生器失效的主要原因是由水中的溶解氧与铁发生氧的去极化腐蚀反应造成的，水质中有机物、总铁以及Cl-含量过高，在发生氧腐蚀的同时，加速了腐蚀过程的进行。从工艺操作、生产管理及检修等方面采取了该设备延寿的措施。 关键词：乙烯装置；稀释蒸汽发生器；失效分析；延寿
引言
E-EA-1123A~D四台稀释蒸汽发生器是某石化公司乙烯装置中重要的大型换热设备，为卧式浮头式热交换器，设计、操作及结构参数分别见表1和表2。自2005年11月起，四台稀释蒸汽发生器相继发生管束泄漏，严重影响了正常生产及装置的安全。本文从宏观和微观腐蚀形态、微观组织和力学性能、电化学性能以及水质分析等方面对稀释蒸汽发生器的失效原因和机理进行了研究与分析，并针对性地采取了改进措施。
表1 E-EA-1123A～D稀释蒸汽发生器设计、操作参数
介质
质量流量(T/h) 515.016
饱和水: 410.909 DS蒸汽: 104.107 3400.892 3400.892
体积流量(m/h) 572.2
饱和水: 456.5 DS蒸汽: 26966 3000 3000
表2 E-EA-1123A～D稀释蒸汽发生器主要结构参数
主体尺寸(mm)
换热管尺寸(mm)
换热管数量
布管方式 换热面积（m2） 空重（kg） 正方形
2296
84560
φ2300×20×9500 φ25×2.5×9500 3160
3
温度(℃) 167.4
167.4 210.3 180.0
压力(MPa) 0.639 0.639 0.977 0.879
壳程进口 饱和水 壳程出口 饱和水＋
DS蒸汽
管程进口 急冷油 管程出口 急冷油
1
1 失效分析测试与试验
1.1 宏观腐蚀形态分析
发生泄漏的E-EA-1123管束如图1所示。从图中可看出，在管束的下半部（处于液相的部位），换热管外表面有一层黑色的污垢物，是由泄漏的急冷油形成的，去除污垢后发现换热管有严重的腐蚀损伤。腐蚀较为严重的换热管大多集中于换热器的下部，且多位于管板的边缘部位，详见图1（b）。
(a)泄漏的管束 (b)堵管部位（泄漏的换热管）
图1 E-EA-1123管束
同时，沿换热管长度方向，腐蚀较为严重的部位集中于换热管束的中部，即从中部工艺水进口至两侧各两块折流板的范围内，如图2所示。
图2 失效换热器轴向的分布
通过进一步对腐蚀及穿孔换热管表面的腐蚀形态进行观察，发现腐蚀主要发生在管束外表面即与热水的接触面上，而换热管内表面上腐蚀情况并不严重。换热管外表面的腐蚀形态主要分为两类：
2
1、换热管与折流板接合部外表面发生严重的全面腐蚀（见图3），腐蚀减薄已导致换热管穿孔，这也是造成换热器管束发生泄漏的最直接的原因；为此依照GB151-1999《管壳式换热器》标准，对E-EA-1123蒸汽发生器振动情况进行计算，分析换热管是否会因为振动而产生断裂。计算结果表明，在正常操作工况下该蒸汽发生器发生振动破坏的可能性很小。但从调查工艺术操作工况发现，因稀释蒸汽发生器的汽包除雾器有损坏，操作上为避免汽液夹带，有意降低了汽包液面，控制在此30%左右，但有可能出现汽包下降管中汽液混合进入稀释蒸汽发生器，导致管束振动冲刷腐蚀。
2、管束外表面发生大面积溃疡状腐蚀凹坑（见图4），蚀坑直径大小不等，最大可达20mm左右，腐蚀深度大都深约2mm，已非常接近管壁厚度（2.5mm）, 最严重的已形成腐蚀穿孔，溃疡状腐蚀和坑蚀处有大量腐蚀产物覆盖，具有垢下腐蚀特征。
图3 换热器管束与折流板结合部腐蚀及断裂宏观照片
图4 换热管外表面坑蚀及垢层宏观照片
3
1.2 微观组织分析
换热器管束用钢为10＃钢管，金相显微组织观察结果表明（见图5），管束用钢的显微组织为铁素体+少量珠光体，晶粒度约6级，珠光体有轻度球化，组织无明显缺陷。
图5 换热器管束母材金相显微组织照片
换热器换热管腐蚀部位剖面金相显微组织观察结果表明（见图6），换热管外表面的腐蚀形式属于局部腐蚀类型，可以清晰地看出换热管外表面垢下基体金属表面先形成微小蚀坑，然后不断向深处和四周发展，最终导致换热管外表面垢下形成较大的蚀坑并发生穿孔失效。
图6 换热管剖面（外表面）金相显微组织照片（局部腐蚀）
1.3 力学性能及化学成分测试
换热管材料显微硬度测试结果为180～186 HV0.2（见图7），平均硬度值为183HV0.2。换热管材料的成分分析（EDS能谱分析）及力学性能测试数据分别见图8和表3。测试结果表明换热管材料的硬度、力学性能、化学成分等无异常，均符合10＃钢的国家标准[1]。
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图7 换热管母材显微硬度压痕照片
图8 换热管成分分析EDS特征谱线 表3 换热管材料力学性能测试结果
材料 管束材料 性能 洛氏硬度（HRC） 屈服强度（MPa） 抗拉强度 伸长率（％） 断面收缩率（％） 18 225 375 17 63 5