浅谈急冷水空冷器管束泄漏分析及预防

摘要：本文对急冷水空冷器管束泄漏的原因进行了细致分析,找出介质中硫含量高是主要原因,并提出了改善措施。

关键词：急冷水空冷器 泄漏 预防

1、案例描述

某炼油厂硫磺回收装置急冷水系统的3台型号为ZP9×3-21-780-2、5S-a/YP9×3-3-113-2、5S-16.4/DR-iva的表面蒸发空冷器,运行不到一年的时间,即出现管束泄漏,含H2S急冷水大量泄漏,经仔细检查现场,认真分析,查找相关资料,得到了管束泄漏的主要原因,并提出了相应的预防措施。该空冷器是一种将水冷与空冷、传热与传质过程融为一体的新型换热设备,具有结构紧凑、传热效率高、投资省、操作费用低等特点。

2011年7月19日,操作人员发现其中一台空冷水箱中颜色异常,呈灰白色,经判断是管束泄漏,于是将该台切出检修,随后发现另外两台也陆续泄漏,经检验发现:三台设备共计有9根管束泄漏,从泄漏部位看,主要集中在管束与管板连接焊缝及热影响区,多处管子胀口部分出现裂纹,裂纹从内表面向外发展,裂纹发生部位未见明显塑性变形,裂纹宽度较窄,少量管束有φ2mm左右蚀坑穿孔。空冷管束及两端管箱有大量硫粉堵塞。

2、原因分析

急冷水成分较为复杂,影响因素很多,取样分析,急冷水化验分析数据见（表1）。

表1 急冷水成分化验分析表

根据现场管束腐蚀泄漏情况,查阅相关资料,主要原因有以下3个方面。

2.1 SO2-H2O腐蚀

在水存在的条件下,SO2+H2OH2SO3 H2SO3+FeFeSO3+H2腐蚀的程度主要取决于SO2的浓度,浓度越高,腐蚀性越强。同时在有氧的情况下,SO2、O2及Fe生成FeSO4,然后FeSO4水解形成氧化物和游离酸,游离酸又加速铁的腐蚀,生成新FeSO4,如此反复循环,加速对空冷管束及管箱的腐蚀。

2.2 H2S腐蚀

(1)H2S-H2O腐蚀。H2S在没有液态水时对设备腐蚀很轻,或基本无腐蚀,但在遇水时,极易分解,产生对设备有害的物质。通常在pH值为6时,H2S溶液就会产生含硫量不足的硫化铁,由于其无保护性,加速了腐蚀。pH保持较高时,H2S流体中的腐蚀速率随着时间的增长而逐渐下降,但当这个平衡被打破后,就会加速钢铁的腐蚀,接近于6或低于6,致使局部环境进一步恶化,从而使管束穿孔泄漏。从空冷器现场泄漏情况看,这种腐蚀穿孔泄漏管子有3根,占30%左右。

(2)硫化物应力腐蚀。H2S产生的H原子渗透到钢的内部,溶解于晶格中导致脆性,在外加拉应力或残余应力作用下形成开裂,硫化物应力开裂,通常发生在焊缝与热影响区的高硬度区。应力腐蚀开裂时,大部分表面实际并未遭受腐蚀,只是在局部出现一些由表及里的细裂纹,这些裂纹可能是穿过晶粒的,也可能是沿晶界延伸的,裂纹的主干与最大拉应力垂直。随着裂纹的扩展,材料的受力面积减小。

通过分析可知,由于急冷水中大量携带硫磺粉末,在空冷两端管箱处淤积,为硫化物应力腐蚀提供了必要的条件,在淤积区域,H2S浓度随着积累而升高,酸性环境更加明显,局部温度偏低,接近室温断裂敏感温度,最终导致硫化物应力腐蚀开裂。因此严格控制加氢反应过程,避免急冷塔中产生大量硫磺粉末带入急冷水,是避免空冷器管束腐蚀泄漏的根本措施。

3、预防措施

3.1 确保交叉限位的系统正常运行

进入急冷塔的未被还原的SO2量,取决于SCOT反应器床层温度控制的高低,直接影响含硫化合物的转化率,温度的高低通过改变流入SCOT反应炉内的燃料气量实现。燃料气和空气按一定比例实现轻度燃烧,既产生热量又产生需要的还原气,因此对燃料气和空气的配比有十分严格的要求,尤其在燃料气组分发生变化的情况下。

H2S和SO2在无水的情况下不发生反应,在有水蒸气或水膜存在时,反应不仅会发生,而且很快速。由于急冷塔急冷水的存在,穿透的SO2与加氢反应生产的H2S反应生成硫。

2H2S+SO23/XSX+2H2O

所生成的硫随急冷水进入空冷器,在空冷器中产生堵塞。因此,为了保证急冷水中较低的硫含量,必须确保交叉限位系统正常运行。

3.2合理注氨

急冷水的pH值高低,直接影响到H2S-H2O腐蚀、硫化物应力腐蚀的腐蚀速率,因此必须根据化验分析结果,定期向塔底急冷水中补NH3,确保pH值在6～8之间。

3.3 定期清理过滤器

在急冷水泵出口设有一台过滤器,型号为YGZL-40B/1.4,结构参数为φ900×900×1660mm,内设7件孔径200目滤芯,能有效滤除急冷水中微小硫磺粉末。在开始开车的上半年中,对该设备的重要性认识不足,滤芯的清理不及时,有时几个月才清洗一次。导致急冷水中硫磺粉末不能及时清除,被大量带入到急冷水空冷器中,越聚越多,为腐蚀创造了条件,造成空冷管束腐蚀泄漏的严重后果。现在定期进行切出清洗,使急冷水中的粉末得以及时清出。

3.4 焊接应力控制

由于硫化物应力腐蚀开裂主要发生在焊缝及热影响区,因此必须确保设备制造质量。在制造工艺上,管束与管板的连接宜采用“强度焊+贴胀”法,消除缝隙,使管束紧贴管板,改善传热,消除焊接残余应力。

3.5 控制介质流速

较低和较高的流速,均不利于良好保护性能腐蚀产物膜的形成,因此要适当控制急冷水在管路中的流速,根据实际情况,合理投用设备,防止因流量小而产生偏流。通过一年多的实践摸索,发现采用2开1备的模式是较为合理的。

总之,硫化物应力腐蚀和H2S-H2O腐蚀是导致空冷器管束腐蚀泄漏的主要原因,应严格控制急冷水中硫磺粉末含量,防止在空冷器中积留,产生并进一步加重腐蚀条件。

参考文献

[1]卢绮敏等编著.石油工业中的腐蚀与防护[M].北京:化学工业出版社,2001.

[1]CLAUS+SCOT工艺总硫回收率主要影响因素探讨[J].气体脱硫与硫磺回收,2005.