表面蒸发板式空冷器失效分析与防护

张学恒

(中国石化青岛炼油化工有限责任公司，山东 青岛 266500)

表面蒸发板式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空冷器，具有优良的传热性能，它是一种传热效率高、投资省、操作费用低、结构紧凑且节能节水的高效冷凝冷却设备，它依靠在传热表面水膜蒸发带走热量，而且板式布局具有更合理的布膜方式(顺风布膜)和更有效的蒸发表面(板式传热元件)。表面蒸发板式空冷器一般由板束、构架水箱和喷淋水系统等构件组成，板束板片一般选择316L薄板经过模压成型的LT波纹板型。喷淋水系统由自带增压水泵和构架水箱形成喷淋水自循环系统，喷淋水一般设计为Cl-含量较低的除盐水。

某炼化企业新投用的316L表面蒸发板式空冷器运行不到1 a，相继发现多台空冷器板片出现泄漏。由于泄漏介质属于可燃介质，燃爆危险性大，安全风险较高。为了找出板片泄漏原因，对空冷器板片的腐蚀进行失效分析，分析泄漏原因，提出改进措施。

1 情况简介

某公司气分装置丙烯塔顶丙烯组分经塔顶板式空冷器降温(由50 ℃降至40 ℃)后进入塔顶回流罐，底部产品一部分抽出送入丙烯塔顶层塔板上作回流，另一部分送至下游聚丙烯装置。丙烯塔顶流程见图1。

丙烯塔顶空冷器为表面蒸发板式湿空冷器，正常使用周期为8 a，2019年检修投用后，仅仅 1 a 时间并列布置的316L管束多台相继发生泄漏，设备运行寿命大大降低。

图1 丙烯塔顶流程

2 失效分析

2.1 失效部位

丙烯塔顶空冷器共9台，每台2片，并列布置，空冷器相关参数见表1。

表1 空冷器相关参数

失效部位均集中于丙烯塔顶板式空冷器316L不锈钢板束中间压泡部位(见图2)。

2.2 运行分析

丙烯塔顶空冷器管程介质主要为丙烯、丙烷和液化石油气组分，不含硫化氢和氯化氢等腐蚀介质(见表2)。

图2 空冷器泄漏部位

表2 工艺介质组成 φ,%

从空冷器管程工艺介质组成来看，工艺介质不含硫化氢和氯化氢，腐蚀性较低。

由于空冷器外喷淋除盐水循环使用，所以定期补充新鲜除盐水，设计正常补充的除盐水氯离子质量浓度低于20 mg/L。根据泄漏部位和形貌，判断空冷器板束腐蚀应为外部腐蚀，对5台空冷器的喷淋水系统采样分析氯离子含量，结果见表3。

表3 2019—2020年喷淋水Cl-分析结果 mg/L

从5台空冷器的喷淋水系统氯离子采样分析看，2019年12月份氯离子含量开始较正常值略高，从2020年1月初到1月中旬，氯离子含量明显升高。由于各空冷器并列组成，各自喷淋水循环系统并不交汇，只有在系统补水时才会交汇，所以各台数值有一定差异，但都呈明显的上升趋势。后期系统经过多次置换、补水后，氯离子含量在1月末和2月初开始回落，2月中旬基本恢复正常并保持稳定。

2.3 失效分析

2.3.1 失效部位形貌

空冷器板束结构为316L薄板片压制成形，两边薄板组焊并与夹持镶块焊接固定后，再与管箱端板焊接构成，空冷器板束的基本结构见图3。

图3 空冷板束结构

板式空冷器的失效部位大多位于两片薄板的长条焊缝和夹持镶块与管板的焊缝处，但本次失效部位并不在焊缝和热影响区，而位于板片中间部位。

空冷失效部位的宏观形貌见图4。由图4可见穿孔部位蚀孔的外壁侧孔径达到2.15 mm，较内壁侧孔径(1.24 mm)大，且在外壁侧蚀孔周围可见大小不一的点蚀坑，而内壁蚀孔周围未见其他腐蚀坑，说明腐蚀起源于外壁。

图4 失效部位宏观形貌

应用电子显微镜对板片失效部位进行观察，观察结果见图5。由图5可见，在板片外表面多部位形成了点蚀坑，蚀坑表面晶界和晶粒间形态正常，未发现明显应力导致的塑性变形。

2.3.2 腐蚀产物分析

失效空冷器板片材质为316L不锈钢,对失效部位的腐蚀产物进行EDS(能谱)分析，结果见图6。由图6可见：点蚀部位表面除含有材料金属中的元素外，还含有O，Ti，Si，Al，K，Ca，Na，Mg，S和Cl元素。其中Cl元素质量分数为0.2%。

图6 EDS分析图谱示意

对板片外表面的泥垢样进行分析，结果见表4。由表4可见：Ca2+含量高，这些Ca2+是由喷淋水系统和大气微尘带来的。

表4 表面泥垢样分析

2.3.3 金相分析

试样经机械抛光后采用溶液电解腐蚀，对应的金相组织见图7。结果表明母材组织中为常规奥氏体，点蚀部位金相组织并无明显异常，说明板片并无材质缺陷，腐蚀穿孔并非材料劣质化导致。

图7 失效部位金相组织

3 失效原因综合分析

3.1 喷淋水介质调整

考虑不锈钢材质对Cl-腐蚀的敏感性，空冷喷淋水系统使用管网除盐水，其中Cl-和盐类成分含量指标非常低。但该装置使用的管网除盐水在失效前半年经过调整，改为城市中水，城市中水的Cl-含量控制不稳定，且盐类物质含量较多，使得板片表面结垢和局部Cl-腐蚀成为可能。

3.2 Cl-腐蚀因素

当Cl-质量浓度大于300 mg/L时，316L不锈钢板片的腐蚀电位下降明显[1]。316L金属表面处于钝化状态的金属膜，溶解和再钝化处于平衡状态，当介质中的Cl-达到一定浓度时，平衡会受到破坏，处于金属表面的金属原子有进入溶液的倾向，表现出富余的成键能力，吸附溶液中的Cl-，Cl-又能优先选择吸附在钝化膜上，把其中的氧离子替代，结合成新的可溶氯化物，结果在金属表面钝化膜薄弱的地方形成腐蚀坑。

对失效空冷喷淋水的Cl-质量浓度分析发现，正常指标控制在50 mg/L以下，但由于调整为城市中水，Cl-含量控制不稳定，且没有及时置换调整，一段时间内Cl-浓度大幅上升，从而导致腐蚀加剧，直到喷淋水重新调整回除盐水后，Cl-浓度回归正常，但已经造成了板片的腐蚀。

3.3 结垢因素

表面蒸发式空气冷却器的表面，微溶性盐类极易发生饱和，进而结晶析出，形成硬垢，容易导致微电池腐蚀和浓差电池腐蚀[2]。由于喷淋水改为城市中水，喷淋水在空冷板片表面蒸发后，板束板片中间部位存在钙、镁和硅等碳酸盐类，形成了结垢，结垢部位形成闭塞电池，只剩下金属腐蚀的阳极反应，导致更多的带负电Cl-迁移进入孔内，从而使结垢部位的金属氯化物浓缩更加严重，加速腐蚀。一定时间内Cl-浓度的大幅上升，加速了金属钝化膜的局部溶解，电极电位向着负向移动，金属的还原性增强，孔蚀更加严重[3]，最终导致板片泄漏。

4 防护措施

4.1 材料控制

换热板片应用316L薄板，板片用材的牌号和化学成分应满足国家标准，Cr和Mo含量应在标准规定的范围内且靠上限，尽量降低材料杂质含量，提高抗点蚀能力。

4.2 工艺控制

(1)喷淋水系统应用的喷淋水应严格控制氯离子、钙、镁和硅等含量指标，对喷淋水质增加实时监控系统，分析指标引入DCS监控，避免超标对设备造成损坏；

(2)表面蒸发板式湿空冷的板片应定期采用高压除盐水冲洗，尤其注意冲洗压泡部位的结垢，避免大量垢类堆积引起垢下腐蚀；

(3)喷淋水系统应定期置换、清洗，避免因水蒸发而导致循环系统的Cl-含量升高。

5 结 论

(1)316L板片失效是由碳酸盐类结垢导致局部Cl-浓缩，引起奥氏体不锈钢的Cl-腐蚀穿孔；

(2)喷淋水介质的调整未考虑到对设备的后续影响，是导致板片失效的深层次原因。

(3)气分装置丙烯塔顶采用表面蒸发板式湿空冷器，板片采用316L不锈钢，容易受到Cl-腐蚀影响，应严格控制喷淋水系统中的Cl-和钙、镁和硅等含量，应利用实时监控系统，加强工艺管理，提升管控措施，确保设备长周期运行。