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1、苯酐冷凝器应力腐蚀原因研究顾明球*1,2 忻建华1 叶 春1(1上海交通大学机械与动力工程学院 2无锡焦化有限公司) 摘 要 描述了苯酐冷凝器应力腐蚀失效的现状,详细研究分析了产生应力腐蚀的拉伸应力、腐蚀环境、材质影响等三大原因,并针对这些原因提出了消除残余应力、降低温差应力、改善冷却水质、优化操作工艺、选用对应力腐蚀不敏感的材料等优化和改进措施。 关键词 苯酐冷凝器 应力腐蚀 原因分析 热应力 改进1 苯酐冷凝器的现状111 概述苯酐是重要的基础有机化工原料,广泛用于合成塑料、涂料、染料、橡胶、油墨、油漆等工业。随着技术的进步和普及,我国苯酐装置国产化率越来越高。但由于过程介质腐蚀性强、温度
2、和压力变化大等特点,使得设备使用工况恶劣、故障多,目前难以保证长周期连续生产的要求,泄漏失效则是苯酐冷凝器中最典型的设备故障。研究分析该问题产生的深层原因,进而改进完善是一个重要的行业课题。112 苯酐冷凝器的结构苯酐冷凝器是苯酐精制生产最重要的换热设备之一,为单管程、带膨胀节、立式、管板兼作法兰的固定管板式换热器。其作用是将来自精馏塔塔顶冷凝器的苯酐蒸汽全部冷凝为液体苯酐(故又称苯酐全凝器)。其相关苯酐冷凝器设计技术参数如表1所示,苯酐冷凝器的内部结构简图如图1所示。图1中a段为应力腐蚀引起开裂的部位、b段为集中冷凝段、c段为苯酐蒸汽冷却段。苯酐蒸汽进入冷凝器先冷却降温变成饱和蒸汽,后进一步
3、冷却产生相变凝结为液体,进入a段则全部为液体苯酐。113 苯酐冷凝器生产过程中存在的主要问题苯酐冷凝器生产过程中存在的主要问题是换热器换热管与管板连接焊缝易泄漏失效。通过统计图1 苯酐冷凝器的内部结构表明,最近五年时间里,某苯酐冷凝器共发生8次此类泄漏故障,泄漏后须封管,且封管后连续正常生产时间明显缩短。国内不少苯酐生产厂家冷凝器都出现过此类问题,可以说这是个行业普遍存在的难题,目前尚无彻底解决的良策。苯酐冷凝器泄漏失效后,检修施工难度大、费用高,消除造成的后遗症工作量较大,对产品产量和质量也带来严重影响。据统计,最近五年里,平均每年因苯酐冷凝器泄漏造成的损失在50万元左右,给企业造成了较大的
4、经济损失。*顾明球,男,1972年6月生,硕士。上海市,200240。50苯酐冷凝器应力腐蚀原因研究 表1 苯酐冷凝器设计技术参数参数名称壳程管程工作压力/MPa015-0109工作温度(进/出)/e20/152205/165介质水及水蒸气苯酐蒸汽及液体外径壁厚/mm7168192主要受压元件材料Q235-B(膨胀节材料0Cr18Ni9)0Cr18Ni9程数11换热管规格n-(mm)t(mm)1(mm)法兰外径/mm641-1922500830114 失效现象符合应力腐蚀特征当金属表面具有电化学不均匀或存在表面缺陷,如划痕、小孔或缝隙,均可成为裂纹源,当这种金属材料置于具有腐蚀介质的环境中,首
5、先金属在拉应力和Cl-等的作用下,发生塑性变形,形成所谓的滑移阶段;其次,当应力足够大时,把表面膜拉破,露出崭新的基体表面,新表面与钝化的表面形成电偶腐蚀,新表面作为小阳极被加速腐蚀而保护了钝化表面,腐蚀形成蚀坑,在阴极发生反应,蚀坑沿着与应力垂直的方向发展,成为新的裂纹源。裂纹形成后,裂纹尖端起着/升高器0的作用,使应力高度集中,于是再次出现表面滑移现象,这样交替进行,裂纹不断向深处发展,最后导致金属破裂1。由此可以得出产生应力腐蚀必须同时具备的条件是2:(1)所受拉伸应力超过临界应力;(2)存在产生腐蚀的介质环境;(3)使用的材质抗应力腐蚀能力较差。从苯酐冷凝器泄漏现象来看,裂纹产生在焊缝
6、上,绕管口环向分布,且泄漏点多集中在管板底部。腐蚀区裂纹一般呈树枝状,主干方向与拉应力方向垂直。裂纹断口呈脆性断裂的特征,没有宏观的塑性变形的痕迹。裂纹源在表面应力集中处产生,裂纹断口附近材料无明显的塑性变形3,因而无任何裂纹发生前兆,符合应力腐蚀的特征,所以可以认为苯酐冷凝器泄漏是由于应力腐蚀开裂所致。2 苯酐冷凝器产生应力腐蚀的原因分析211 拉伸应力来源分析21111 结构应力在力学结构中设备自重、介质重量必然在管子与管板的连接处产生应力集中,且设备在装配过程中产生的装配应力等都对换热管与管板的连接处造成较大的拉应力。这部分应力理论上难以避免。21112 工作载荷应力管程和壳程工艺操作过
7、程中的工作压力作用于冷凝器产生的拉应力,尤其是作用于管子与管板上的应力,很明显无法消除。21113 温差应力(热应力)苯酐冷凝器在操作条件下管板两面受热不均匀,会产生温度差,由此而产生的热应力非常明显4。管孔周围的管板除了接受过程气体凝结放热外,还要吸收换热管对流交换来的热量,换热管与管板的结合部所受的热负荷是凝结放热和对流换热两部分热量的叠加,因而该处所受热负荷最大,受热不均匀也将会产生较大的热应力。包括管程和壳程温差造成的管板应力;介质温差造成换热器轴向应力等。苯酐冷凝器在实际操作中,进、出口温差较大。温差应力使筒体、管板焊缝都受到拉应力作用;器内热膨胀不平衡造成应力,通过管束传递集中在管
8、板与管束的连接处,因管束下部为冷媒,管壳程温差应力较大,因此管束下部连接处较易泄漏。21114 焊接和冷加工等产生的应力管板在加工过程中,管板在钻孔过程中产生的加工应力,锻件经冷加工产生的拉应力是客观存在的。在管板与管束焊接过程中,熔合区虽然很窄,但因其强度、塑性和韧性均下降,而且该处焊接接头断面变化,不可避免会产生应力集中5。如果在焊接和冷加工过程中,未采取相应的消除残余应力的工艺,则将导致存在较大的残余应力,加剧应力腐蚀的产生。212 腐蚀环境因素分析21211 氯离子腐蚀对于奥氏体不锈钢,通常溶液中含有微量的Cl-即可能引起应力腐蚀破裂,Cl-浓度越高,奥氏体不锈钢应力腐蚀破裂的敏感性越强,越容易引起应力腐蚀断裂。在苯酐冷凝冷却器中,所用的冷却水没有经过清除Cl-的工艺处理,其Cl-的浓度一般达到了腐蚀条件。对氯化物引起的应力腐蚀而言,温度的影响甚至远比Cl-浓度的影响大,壁温在100e以上时须特别注意应力腐蚀裂纹的发生4。通过对Cl-腐蚀的研究表明,当容器工作低于温度限时,不发生腐蚀断裂,而当在临界温度以上时,则腐蚀断裂515化工装备技术6第30卷第3期2009年