仪征某化工公司换热器列管失效分析及处理

摘 要：仪征某化工公司为落实中央“安全生产月”和“安全生产万里行”的活动精神，于2018年下半年对所在生产单位进行停车检修。在此期间发现换热器列管失效且多根换热器列管管头已产生泄露现象，本文对此失效机理进行了定性与定量的分析。最终确定了换热管管头失效的原因，并提出相应的解决方案和规范化的后续操作流程。

关键词：换热器;失效分析;失效处理

1 引言

2018年下半年中央以强化安全红线意识、落实安全责任和推进依法治理等内容为目标，在各省、自治区、直辖市及新疆生产建设兵团、国务院安委会成员单位和中央企业开展了“安全生产月”和“安全生产万里行”的活动。

仪征某化工公司作为仪征化纤有限责任公司中的一份子，为传达中央活动精神，提升职工安全生产意识，于2018年年底对公司生产装置进行了停车检验。在此期间我厂检验员发现换热器列管出现失效现象：换热器上管板位置出现换热管与连接处管头失稳压溃，并导致管头连接处开裂。基于此现象，我厂立即组织相关人员进行列管失效分析并对诺干处理方案进行讨论研究，最终较为圆满的解决了此次生产隐患。

2 换热器结构及工况

在不同温度的流体间传递热能的装置成为热交换器，简称热换器。在实际应用中，该设备中至少需要两种温度不同的流体以实现热交换。由于其原理简单，方案成熟，已广泛的运用于化工、石油、动力、制冷和食品行业中。

但随着换热器工作时间的延长，因结垢堵塞和点腐蚀引发的列管失效事件原来越频繁，不仅严重威胁到工作人员的生命安全，且会造成物料的浪费和环境污染，影响到生产装置的正常运行和企业的经济效益。一次重大的失效可能导致一场灾难性事故，通过失效分析可以避免和预防类似失效，从而提高设备的安全性。

2.1 换热器结构及原理

由于换热器在不同工业生产中的作用和地位均有不同，致使换热器的类型也多种多样，不同类型的换热器也各有优缺点，性能各异。列管式换热器是最典型性的管壳式换热器，它在工业上有着悠久的历史，且至今仍在换热器中占据主导地位。列管式换热器种类很多，目前广泛使用的按照温差补偿结构来分，主要分为：固定管板式，U型管式，浮头式和填料函式。

我司当年综合考虑生产过程实际需求、技术支持与流动资金情况，选择引进了固定管板式换热器。其主体结构是由壳体、管板、散热管、法兰等部件所组成。在工作过程中高温反应器从管程的上法兰入，下法兰出。与此同时，该车间以锅炉水作为冷却介质从换热器壳程的下管口入，上管口出。通过热传导作用以实现换热目的。

2.2 换热器工况条件

我司所引入换热器的工况参数如表1所示。

表格 1换热器参数

参数名称 壳程 管程

设计压力 5.6/FV 0.305/FV

设计温度 325 450

主要受压元件材料 Q345R（正火） T11

腐蚀余量 3 3

介质 锅炉水 反应气

换热管与管板连接形式 强度焊+液压胀

3 失效分析

我司于2018年年底对公司生产装置进行了停车检验。在该过程中，检验员发现换热器列管出现失效现象：换热器上管板位置出现换热管与连接处管头失稳压溃，并导致管头连接处开裂。

考虑到固定管板式换热器的固有缺点：壳程清洗困难，当两流体间热膨胀不同，会存在较大的温差应力。结合我司所引入换热器的特征：设有补偿装置（膨胀节）用于管壁与壳壁温度相差>50℃时提供安全保障。并以此为失效分析落脚点，试图通过定性与定量两个角度对失效现象展开分析。

3.1 故障特征

如图1所示。上管板位置出现换热管与管板连接处管头失稳压溃，并出现由于管头失稳所导致的管头连接开裂的失效现象，通过外观分析，该换热器的整体特征表现为均匀腐蚀，并未见明显裂纹。

3.2 检验方法

检测样品为管上直接获取，采用 Axio Image Aim蔡司金相显微镜进行氧化膜厚度测量和微观金相组织分析，用 HVI-10A维氏硬度计进行硬度测试，FEINA扫描电镜进行能谱分析，进行 XRD分析。

3.3故障分析

送检换热管氧化膜厚度测量结果为：蓝色端内壁氧化层厚度约为 0.037mm，蓝色端外壁氧化膜厚度约为0.038mm，正常端内壁氧化膜厚度约为 0.041mm，正常端外壁厚度约为 0.022mm。蓝色端外壁氧化层厚度略大于正常端，定性分析，应该与高温过热（温差超过设备许用温差）有关。

换热管的微观金相组织的分析结果为：送检的换热管正常端和蓝色端金相组织外壁均存在轻微的脱碳现象，说明脱碳与燃烧无关，为原始缺陷，但是脱碳层很薄，对使用性能影响不大。从内壁到外壁，组织为铁素体+珠光体，所检测的正常端和蓝色端的金相组织并无明显的区别。球化等级均为2.5级，属于轻度球化，且未发现明显的蠕变孔洞，说明过热并未造成明显的组织裂化。

维氏硬度测试结果为：蓝色端和正常端硬度基本一致。但外壁硬度偏低，说明该失效现象与外壁的脱碳层存在一定的关系。

换热管SEM及腐蚀产物 EDS分析结果显示：蓝色端和正常端外表面腐蚀产物主要为铁的氧化物，但是蓝色端中还含有一些铜，氮，磷及盐类，成分明显比正常端复杂，可能与换热器上管板存在过热的现象有关。

腐蚀产物相结构X射线衍射（XRD）分析结果显示：送检管腐蚀产物的主要成分为铁的氧化物，包含一氧化铁、三氧化二铁和四氧化三铁等;进一步比较发现，蓝色端中还含有氧化铜，正常端中则含有硫酸盐和亚硫酸盐。

4 结论与处理措施

通过对失效的原因进行分析，发现该设备存在腐蚀、换热管外壁颜色有明显变化，一端呈现蓝色，另一端呈现正常黄褐色，对换热器列管材质等进行金相分析，结合换热器运行的工况，最终发现可能换热器存在紧急停车过程中，局部温度过高，造成了换热管材料力学性能下降，导致换热管失效，进一步发现换热器列管存在较多的水垢也是促使列管失效的一个重要原因。

综合上述分析并结合该公司对应车间的实际需求，做出如下处理措施以避免换热器列管再次失效的可能性。

①严格控制装置停车期间参数控制，防止介质在换热器列管中进行氧化反应，造成换热器局部高温;②换热器运行期间需要严格控制壳层锅炉水排污周期，防止无机盐类在列管与管板处造成的腐蚀;③新换热器在制造过程中，需要合理优化耐高温钢的焊接与检验工作，对列管与管板焊缝进行RT检测，增加换热器焊接的可靠性。

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作者简介：

王瑞琦（1986- ），男，汉族，吉林吉林人，大学本科双学位，仪征化纤BDO部机械副主任师/工程师，研究方向：过程装备与控制工程。

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