再沸器泄漏原因分析及改进措施

王建伟

摘要：某公司IGCC装置酸性气脱除单元甲醇热再生塔塔底再沸器在2022年6-9月运行期间管束多次发生内漏，导致甲醇再生效果变差，严重影响后续产品指标；同时工艺介质泄漏至凝结水回收系统，导致凝结水处理装置凝结水入口COD超标，严重影响化水凝水装置的稳定运行。通过对换热器检修拆检，结合宏观检测、材质分析、能谱分析等手段，确认H2S+HCN+H2O的酸性腐蚀环境是失效的主要原因，同时冲刷腐蚀对换热器失效有一定的促进作用，并提出了相应解决措施。

关键词：再沸器；H2S+HCN+H2O；气液两相；防护措施

某公司IGCC装置酸性气脱除单元采用了Lurgi工艺的低温甲醇洗技术，即利用低温下甲醇对H2S、CO、CO2 等溶解吸收性较大的特性，将来自上游气化、变换单元的粗合成气及变换气中的酸性气体脱除，以最终获得净合成气和氢气的工艺流程。其中甲醇热再生塔再沸器主要作用为通过加热贫甲醇产生汽提蒸汽，将吸收H2S、CO2、HCN、NH3等杂质的富甲醇再生成贫甲醇以达到循环使用。热再生塔再沸器设计共有两台，于2009年投用，2015年01月A台再沸器管束内漏，2022年6至9月间，A/B两台再沸器共计发生四次内漏，导致甲醇再生效果变差，进而影响合成气和粗氢气的工艺指标，严重制约酸性气脱除单元长周期运行；同时工艺介质串到凝结水侧，导致蒸汽COD超标，对蒸汽系统造成较大冲击。

为确保装置长周期稳定运行及减少甲醇损耗，通过对该换热器进行失效机理分析，提出相应的解决措施，为同类企业相同装置设备管理提供思路和方法。

1 检验和检测

1.1宏观检查

2022年11月，公司利用设备切出更换新管束这一契机，对换热器旧管束进行破坏性拆检，对管束外观腐蚀严重的部位进行割除。截取的管段首先进行宏观腐蚀调查，管外壁无明显腐蚀痕迹，管内壁存在大量黑、褐色垢物，表层垢物疏松、易脱落，由外观初步判断腐蚀是为由里至外产生，导致管束减薄穿孔。即腐蚀发生在甲醇-水侧，是甲醇-水所发生的腐蚀。为了验证，将旧管束先除垢，再抽取三个不同部位测量管束横截面的内、外径。管束外径为25mm，壁厚为2.5mm，内径为20mm，由数据可知，换热管的最大外径与最小值外径相差都较小，但换热管的最大内径与最小内径相差值都较大。测量数据验证了换热管管束腐蚀是以甲醇-水侧的腐蚀为主。

1.2管束金相分析

再沸器管束材质为10号钢，它的塑性、韧性很好，易冷热加工成形，正火或冷加工后切削加工性能好，焊接性优良，无回火脆性，淬透性和淬硬性均差，制造要求受力不大、韧性高的零件，常用于制作管子[1]。从割除管段上截取了一段沿横截面切断，在显微镜观察其金相组织。10号钢基体组织为铁素体和珠光体，从金相检测结果来看截取腐蚀换热管材质两相分布均匀（珠光体为黑丝、铁素体为白色），无明显夹杂和偏析等缺陷；晶粒细小，呈等轴状，管束材料组织无异常。从金相显微观察来看，换热管旧管束组织符合材质要求，管束制造工艺和管束腐蚀穿孔没有关系。

1.3腐蚀产物能谱分析

对两根送检换热管内外表面腐蚀产物进行形貌及区域成分分析、物相分析。能谱分析结果显示，换热管管束外表面粉末样品面扫描区域氧元素、硫元素质量百分比38.91%，3.47%；换热管管束内表面粉末样品面扫描区域氧元素、硫元素质量百分比43.95%，1.70%。根据分析结果，换热管腐蚀产物外来元素主要是氧和硫。

2原因分析

2.1介工艺介质侧冲刷腐蚀

管束的腐蚀除了跟酸性气湿环境下的电化学反应以外，也和介质流体形态密切相关。通过设备设计数据表我们可以发现管程介质并非单纯的液相流体，随着蒸汽换热后管束内甲醇水靠出口部位会变成气液两项。含酸性气的气液两相流管道发生腐蚀主要包括两个方面，除了前文提到的酸性气电化学腐蚀还有流体冲刷腐蚀，电化学腐蚀后续流体的冲击作用导致腐蚀加速和失效风险增加的过程称为流致腐蚀[2]。管程液相部分的流型为分层流，气相部分的流型为气泡流和气团流。由于气、液两相形成的高速紊流会形成避免剪切应力，从而对FeS膜及管壁进行冲刷破坏，加速了管束内壁的减薄过程。管束内壁的腐蚀速度受到气、液两相流体中的硫化氢和水含量以及流型流态控制的影响，管束内部流致腐蚀的过程。

2.2蒸汽侧冲刷腐蚀

除了上述分析的管程介质腐蚀因素外，从现场实际检修情况来看，管束部分堵管集中在靠蒸汽入口侧。一般来说为防止壳程介质直接对换热管进行冲刷，换热器壳程入口处会设计防冲板，通过查询设备图纸可以发现该再沸器在蒸汽入口管筒体上焊有400mm*400mm*6mm方形防冲板一处，板上未开孔。

通过查阅读相关文献发现近年来越来越多学者利用CFD（计算流体力学）技术对换热器进行研究模拟壳程入口设置防冲挡板方式对换热管附近流场分布的影响[3]，采用STAR-C++软件构建模型，设定条件为换热器壳程蒸汽入口管公称直径DN350，换热管外径25mm，换热管间距32mm，方形防冲板尺寸为400mm*400mm*6mm。研究中其余条件不变，仅调整防冲板开孔率，建立0%，2.8%，5.4%，8.9%，13.3%和18.6%五种比例下防冲挡板结构模型。经过模拟可知当防冲板不开孔即开孔率为0%时，流体会向四周扩散，靠近第一排换热管流速最高为38m/S，防冲效果较差；而随着开孔率的逐步增大，防冲板后方流体速度逐渐增大，两侧流量逐渐减少，在开孔率达到8.9%时第一排换热管处介质流速降至30m/S且随着开孔率增加流速不会明显降低。确定了防冲板开孔率为8.9%时，换热管受到外部蒸汽冲击最小且流体速度场分布均匀。该文献还进一步研究了防冲板与第一排管束的距离对流体速度分布的影响，最终确定防冲板和管束最佳距离为0.05m。

3建议改进措施

针对上述分析，采取以下措施确保设备可靠运行：

（1）改善管程介质腐蚀性。正如前文原因分析，该企业IGCC装置甲醇再生塔再沸器管程介质条件恶劣主要原因是塔盘堵塞造成甲醇再生效果差，硫化氢、氰化物、氨等物质下移至塔釜，导致下塔及再沸器工艺介质呈酸性。在甲醇热再生塔无法切出检修的前提下，为维持装置继续运行，采取对热再生塔下塔进行注碱调整介质PH值以减缓腐蚀。以甲醇水外排量2.5t/h当量计算，通过加入10%碱液，将pH值提升到8.5-9.5。截止本文成文，该注碱流程已投用约8个月，再沸器再未出现内漏现象。

（2）升级设备材质。设备管束材质为10号钢，是一种典型的冷作模具钢，塑性和韧性较好，但是淬透性、淬硬性和耐腐蚀性均较差。而304L不锈钢是一种应用较为广泛的Cr-Ni不锈钢（Cr含量约18%，Ni含量约8%，碳含量不大于0.03%），相较于10#钢及304，它具有更良好的耐蚀性。考虑到再沸器换热器的介质中不含氯离子Cl-，将材料升级成304L不锈钢是一个较好的提升设备可靠性措施。在其他厂同类装置，其甲醇再生塔再沸器升级成304L材质后，也再未出现过内漏现象。根据兄弟企业实践证明，升级材质可提升设备可靠性。

（3）设备防冲板改型。采购新换热器管束时，考虑对壳体蒸汽入口防冲板进行开孔，开孔率为8.9%，防冲板距第一排管束为0.05m。降低蒸汽对换热管束的外部冲刷影响。

4结束语

通过对IGCC装置热再生塔再沸器旧管束的宏观、金相、能谱分析等方法，得出了管程H2S+HCN+H2O的酸性腐蚀环境，气液两相流致腐蚀是导致换热器失效的主要原因，壳程蒸汽侧冲刷腐蚀加速了腐蚀。已采取的工艺注碱方法有效的减缓了设备腐蚀，并提出了材质升级、防冲板改型等措施，提升再沸器的可靠性，确保酸性气脱除单元长周期稳定运行。

参考文献

[1]宋锐,杜兴,贺凯林.10钢换热器管泄漏分析[J].热处理,2020,35(04):51-53+57.

[2]陈一鸣,董美,王博,刘宏达,汪星彤.含酸性溶解气的气液两相流管道流致腐蚀模拟[J].表面技术,2022,51(08):298-306.

[3]周延红,刘胜军,龚浩,孟芳,董贺.基于计算流体力学的热交换器壳程进口防冲挡板结构研究[J].石油化工设备,2023,52(03):1-8.