氯乙烯装置急冷塔气冷凝器泄漏原因分析及对策

马瑞路

（山东阳煤恒通化工股份有限公司，山东临沂276100）

氯乙烯装置裂解单元是将二氯乙烷裂解成氯乙烯（VCM）、二氯乙烷（EDC）和 HCl混合物，后进入急冷塔进行初步冷却分离，急冷塔气冷凝器20TT402A/B主要作用是将急冷塔气相出口物料进行冷凝，由于物料中含有HCl，故要求水分含量在20×10-6以下，否则易造成设备腐蚀。在2017年运行期间，由于20TT402A/B出现泄漏，造成设备腐蚀，装置停车。通过对冷凝器管束进行宏观检查、冷却水水质分析等方法，对其泄漏原因进行分析并提出针对性的防范措施，有效保证了装置安全稳定生产。

1 20TT402A/B基本情况

急冷塔气冷凝器结构形式为固定管板式换热器，规格参数为Ø 1 300 mm×19 mm×10 197 mm，换热面积772.6 m2，壳程和管程的材质皆为碳钢。具体运行参数见表1。2017年9月22日发现20TT402A循环水侧pH值在线分析仪数值急剧下降，之后几小时内循环水侧温度明显上升，判断设备泄漏，对冷凝器堵管试压消漏，监控运行。10月12日发现20TT402B循环水pH值急剧下降，紧急停车，由于泄漏较多，更换备用换热器。

表1 急冷塔气冷凝器运行参数

2 急冷塔气冷凝器腐蚀情况分析

2.1 介质造成的腐蚀

冷凝器工艺介质含有无水HCl，通过比较，各工艺专利商在此设备的选择上均选择了碳钢材质。通过对冷凝器管板和被腐蚀掉的换热管内壁检查，并无明显的腐蚀，由于换热管内介质的流动性好，微量水分在管内淤积的可能性很小，从换热管内部向换热管外腐蚀的可能性很小。将已经失效换热管切开观察其内壁形貌，可以基本排除管程侧工艺介质腐蚀的可能。

设备壳程侧为循环水，切开20TT402B北端筒体后发现，设备顶部的换热管虽然未有大量酸浸泡产生的腐蚀至穿孔，但设备的表面金属光泽已经基本看不见，有两种可能：一是该换热器的壳程全部遭受过酸的侵蚀；二是循环水中有可能存在对碳钢快速腐蚀的介质。查阅循环水污垢沉积率、碳钢挂片腐蚀率统计数据，指标均小于循环水控制指标。并且循环水系统为新建装置，运行周期不到一年，除水中含有泥沙外，其他指标及填料、旁滤等运行情况良好，可见循环水水质不是导致泄漏的直接原因[1－3]。

换热器折流板采用双弓形水平切口，换热器循环水出口端底部最后一块折流板与管板之间存在一个死区，在此区域，换热器底部大约12层换热管被淤泥所覆盖，此部分换热管已经大量腐蚀。通过查看腐蚀点的情况，可以判断是由于外表面腐蚀造成的表面腐蚀直至最终穿孔。该部分换热管大量腐蚀的原因可能是在中部的换热管腐蚀穿透后，工艺侧介质泄漏到循环水中，由于死区及淤泥的存在，工艺侧泄漏的HCl不能被循环水或后期冲洗水带走，大量腐蚀性盐酸残存在淤泥中，碳钢材质的换热管浸泡在含盐酸淤泥内造成严重的次生腐蚀。

2.2 冷凝器管束振动问题

在介质有相变或流体的介质扰动频率与冷凝器管束固有频率接近或周期频差时，换热器管束振动导致的换热管损坏。有两种可能：一是由于设计时换热管未支撑距离过长；二是换热管与折流板的配合间隙过大致使该部位支承不起作用，其结果同未支撑距离太长一致。

换热管的高频振动，在换热管与折流板配合接触部位或者管板与换热管配合接触部位，发生磨蚀或不断高频碰擦使金属材料硬化加剧，最终会导致材料脆性断裂，通常会先产生一个径向的凹槽，后逐渐减薄，最终局部穿孔或断裂。换热器的设计除了遵循GB/T 151－2014《热交换器》标准规定无支撑距离最大限值和管板与换热管及折流板的配合公差外，还有换热器设计专用软件，对不合理布置，若有振动会预警提示设计人员作相应的调整，直至确保换热器的管束不出现振动，设计条件已经避开振动布置，设计图纸也是符合GB 151－1999《管壳式换热器》（之前旧版标准）有关规定，所以基本排除设计先天不足因素。

设计图纸上的尺寸和制造公差本身没问题，但制造的实物控制也是很重要的质量管控环节。当换热管与折流板配合间隙过大，尤其是靠近两侧管板的第一、二两组折流板在制造的过程中，某个管孔的正偏差过大，导致换热管未能获得很好的支撑，则换热管有可能产生剧烈振动导致损坏。表现出特征是个别换热管的失效。通过对冷凝器的结构分析：在冷凝器循环水出口端，有可能因这个问题造成损坏的换热管位于13～43层（由下往上），损坏位置为靠近北端的位置，距离管板约1.3 m处。冷凝器循环水进口端，最有可能因振动造成损坏的位置是换热管0～11层（由下往上），靠近南端管板或距离管板约1.2 m处。这是因为该两部位部分换热管无支承距离最大，若还因换热管与折流板配合间隙过大存在的话，无疑加大无支撑跨距。在已失效两台冷凝器来看，在位于循环水出口端管板第一和第二折流板区域内的中部或中上部腐蚀的个别换热管失效导致泄漏。

2.3 设备本体材料或制造缺陷的影响

观察了20TT402B的管板，并无明显的焊接、制造缺陷。转动该设备的换热管，大部分比较紧实，说明折流板的开孔多数应该能满足要求，但无法排除个别开孔偏差过大或换热管的几何尺寸偏差过大的可能。也发现折流板上下应有的排气和排污口实物没有加工（图纸有设计），这可能会导致换热器不凝气排放不彻底，折流板间无法正常排污，影响换热器换热效率，同时冷凝器位于框架三层平台处，循环水进装置末端，循环水流速较低，易引起循环水侧污垢沉积，并造成换热死区的进一步加剧。

观察被腐蚀掉的换热管，除了表面的点蚀外，还出现了经向的沟槽状腐蚀，并且换热管金属组织出现碳化现象（金属中的碳以石墨形式析出），该换热管的材料本身存在一定缺陷，金属组分不均匀或有夹杂物。

3 冷凝器泄漏防范措施

3.1 工艺指标监控

工艺介质中含有HCl，应注意工艺侧的手动取样及在线水分分析仪表的数据。当水分含量达到20×10-6以上时，就会对碳钢设备产生腐蚀，所以时刻控制系统内物料的水分含量。

对于工艺介质侧压力高于公用物料侧的换热器来说，应注意公用物料侧的手动取样及在线分析仪表的数据。循环水侧设置有pH值在线分析仪和手动取样分析点。因循环水中不可能存在VCM，故而可以通过定期手动取样分析循环水中的VCM含量来判断是否有泄漏。在刚开始出现泄漏的时候，因有大量循环水在壳侧流动，pH值在线分析并不能马上表现出pH值急剧下降，但通过仔细观察pH值分析仪的趋势，可以判断出泄漏情况，在确认pH值仪完好情况下，当pH值有逐步连续下降的趋势，表明已经存在工艺介质窜到循环水系统，换热器已泄漏，而当pH值急剧下降，则表明换热器有的换热管已经严重破裂或断管。两种方式相结合，可以早期预判轻微泄漏，从而避免泄漏和腐蚀的大面积扩散，造成更大次生腐蚀失效，防止设备的严重损坏，亦可减少对系统的冲击。

3.2 循环水管理

该项目中，冷凝器壳程侧走循环水，并且设计为固定管板式换热器，无法进行机械清洗，化学清洗并不能达到很好的效果，为延长换热器的使用寿命，首先应注意循环水水质的控制，对进入界区的循环水水质进行定期的分析；其次，应注意设备壳侧底部的排污，建议采用脉冲式排污，即定期开启排污阀进行排污，以减少杂质在换热器底部的淤积；加强记录和观察换热器循环水进出口温度，分析换热器的换热效率，即使无法彻底清洗污垢，也做到有计划预防性维护。最后，循环水首次系统使用清洗预膜质量很重要；在有条件的情况下，建议对换热器进行换热管外防腐处理，以延长使用寿命[1-3]。

3.3 备用设备的监造

应加强对新定制备用设备的监造。注重换热器的材料，尤其是管板、换热管及其的焊接材料；管板和折流板上换热管孔的机加工、尺寸精度和换热管本身的精度；换热管组配避免强力组配；管板与换热管焊接质量，包括几何尺寸控制、坡口附近和贴胀区域表面质量、焊接工艺、焊接手段、焊缝检查等；机械性表面损伤等。

4 结语

针对急冷塔气冷凝器20TT402A/B发生换热管束泄漏，通过对冷凝器管束进行宏观检查、冷却水水质分析等方法，并从介质、管束振动问题以及设备本身制造缺陷方面进行逐一分析，判定是振动造成损坏及热管的材料本身存在缺陷引起泄漏。同时管束内盐酸泄漏至循环水中，残存在聚结淤泥中，加剧管壁、管板等泄漏部位的腐蚀速率，造成严重的次生腐蚀。

为应对管束泄漏提出了几点防范措施，加强冷凝器出口处循环水取样及在线分析，循环水水质的监控，定期脉冲式排污以及加强对备用设备的监造等防范措施，确保装置长周期安全稳定运行。