高压空冷器管束爆管的失效分析

摘要:对高压空冷器的爆管管束残骸进行了分析,运用计算机对该管束段的流体冲刷状态进行了数值模拟,分析结果表明,爆管原因是由于空冷器结构不合理,造成介质对管束内壁冲刷腐蚀过大,管壁逐渐减薄而最终导致失效,并提出了相应的解决措施。

关键词:高压空冷器 管束 失效分析 冲刷腐蚀

高压空冷器是加氢裂化装置中的关键设备之一,具有高温、高压、临氢的特点。据调查显示,加氢空冷器在使用一段时间后经常出现泄漏现象,严重影响了装置的长周期安全运行,造成了巨大的经济损失,污染了环境。近几十年来,NACET-8委员会、UOP公司及美国石油协会等先后从腐蚀及流场的角度,系统地研究了反应物流出空冷器（REAC）管束的失效机理,但并未进行管束段的流体冲刷状态数值模拟的理论研究。国内对REAC管系的失效研究主要也是从腐蚀角度分析,而较少结合管内流场进行机理方面的研究。

1、高压空冷器管束爆管案例

高压空冷器是炼油和化工装置中的重要设备,空冷器发生失效事故会造成相关工艺流程的全线停工。2010年11月,某公司异构脱蜡装置在正常运行过程中,一台空冷器的管束突然发生爆管事故,造成整个装置停工,经济损失巨大。该异构脱蜡装置已经运行了9年。为了避免类似事故发生,笔者针对高压空冷器的爆管管束残骸进行了失效分析,并对该管束段的流体冲刷造成的剪切应力和冲刷腐蚀速率状态运用计算机进行了数值模拟,找到了该管束段爆管的主要原因。

1.1 设计条件

空冷器的设计温度250℃,最大操作温度215℃;设计压力16MPa,最大操作压力13.8MPa;主要受压件材料:管箱为20#钢(JB4726-2000)三级锻件,法兰为20#钢(JB4726-2000),换热基管为10#钢,螺栓为35CrMoA。

1.2 工况条件

空冷器内的工艺介质为:氢气(流量20000m3/h),油、基础油(60%),少量的石脑油(5%),柴油(10%)和除氧水(流量1.5t/h,溶解硫化氢和氨);操作压力:11～12MPa;操作温度:入口110～120℃,出口40～50℃。

2、事故残骸分析

对钛管进行的材料成分分析结果表明,钛管为工业纯钛,含有少量的铁、铝、镁等杂质元素。微量固溶态的铁元素对钛的吸氢影响不大,而钛金属表面的铁污染能增加钛金属对氢的吸附量,使钛金属表面的保护膜不断减薄,从而增加钛中的含氢量而导致氢脆。对碳钢管束进行的材料成分分析结果表明,所含硫、磷等元素正常,均在标准控制范围之内。

高压空冷器管束进口端内衬工业纯钛管束,在150℃高压循环氢气流的冲刷腐蚀下,内衬钛管首先发生腐蚀破损。爆管位置在空冷器入口第1管程入口管附近。开裂部位在管束入口内衬管尾端出口28mm的位置,爆管开口方向向下。管束的内壁正下方有明显的减薄现象。爆口部位内壁被冲刷得光滑平整,没有污垢沉积。对第1管程入口其他管束靠近衬管尾端的部位进行检查,在衬管尾端管束下方均有明显冲刷减薄现象,而在远离爆管部位处,壁厚减薄并不明显。

根据残骸分析可知,管束内壁受到介质的冲刷腐蚀,管壁减薄到一定程度后发生了爆管事故。该种型号空冷器结构上存在不足之处,容易在入口管两侧形成较为强烈的涡流区,对管束入口形成不利的剪切冲刷流动,涡流区内管束的入口流动存在较大的对管束内壁的冲击动量,易造成管束内壁的冲击腐蚀;同时,涡流速度矢量与管箱平行,具有较强的剪切冲刷作用,将造成管束入口与管板胀接处的剪切腐蚀。

3、冲刷流体状态分析

有限元计算结果显示在管束入口处切应力比较大,为容易被冲刷腐蚀的区域。整个钛管内衬的壁面切应力均较大,在距钛管尾部约100mm处切应力达到最大,容易被冲刷腐蚀,加速了钛管管束的减薄速度。同时该区域水相分率最大,容易形成电化学腐蚀,加速钛管内衬的破坏。在钛材内衬与翅管的连接处有明显的负压区,存在涡流,是易破坏的区域之一。

为分析验证衬管尾端管束的冲刷腐蚀情况,对爆管段突扩管道的流动冲刷腐蚀状况进行了计算机模拟分析。

4、爆管原因分析

钛材中的铁杂质、高温、高压及硫化氢等均可促进钛管的吸氢腐蚀过程。钛管吸氢后其力学性能和在工况介质中的耐腐蚀性能都明显下降,而碳钢管束性能基本满足标准性能要求。通过对现场空冷器管束爆管情况的检查分析,以及对相同管道形状的流动冲刷腐蚀进行模拟分析的计算结果,异构脱蜡高压空冷器管束爆管原因是在空冷器入口处存在着比较强的涡流区,在该位置进入管束的介质流速较快,流动形式比较复杂,并且在衬管尾端突然扩径,对管束内壁构成冲刷腐蚀,长期运行使得管壁逐渐减薄,最终导致爆管事故的发生。

5、解决措施

在空冷器第1管程采用复合管,即换热管基管不变,通过复合的316L衬管塑性变型与基管紧密贴合,使介质在进入管束前流形更加稳定,进一步减少局部涡流;同时管束通长复合管,不存在扩径的影响,可避免换热管的冲刷腐蚀。采纳SEI的专利技术,并借鉴相关空冷器的制造技术经验,在空冷器入口管箱中设置一个布有筛孔的分配孔板的结构形式,尽可能消除涡流区,以避免涡流区对管束内壁的冲击腐蚀和对管束入口与管板胀接处的剪切腐蚀。采用超声波检查、涡流探伤及着色检查等手段,定期检测空冷器管束的冲刷腐蚀减薄情况,当达到一定的减薄量后,及时更换新的管束,避免爆管事故。

6、结语

通过对高压空冷器管束爆裂事故的分析,提出了改进换热管和空冷器结构形式以及定期检测的解决措施,为同类设备的设计维护提供了借鉴。

参考文献

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