高压空冷设备管束的爆管失效分析

王安寅

摘 要：高压空冷设备具有温度高、压力大、临氢的特点，是当下加氢裂化装置中的关键设备，但是其使用中经常发现管束爆管问题，危害极为突出，对整個装置具有不可低估的作用。本文针对高压空冷设备管束爆管现状、原因等进行了分析，并提出了相应优化措施。

关键词：高压空冷器；空冷设备；管束爆管；失效分析

中图分类号：TQ051 文献标志码：A

0 前言

作为炼油、化工装置中的关键设备，高压空冷器需要引起足够重视。一旦空冷设备失效，将会导致整个工艺停运，造成流程全线停运。据报道，2008年某公司异构脱蜡装置曾经发生空冷管束爆管问题，直接后果是整个工艺流程停产，经济损失无法估计。为了降低上述事件发生比例，业内专家针对高压空冷器管束残骸进行了失效分析，针对其爆管原因进行了深入探讨。长期的实践研究表明，如果管束的管壁过薄，会增加管束爆管概率，近年来，借助计算机技术对管束残骸进行深入分析后发现，管束爆管是整个装置泄露的主要原因，需要引起足够重视。

1 爆管事故的案例分析

1.1 设计条件

以前文提到的异构脱蜡装置为例进行分析，空冷器设计温度为250℃、设计压力为16MPa，管箱采用20#钢三级锻件施工，换热基管采用10#钢，螺栓为35CrMoA。

1.2 操作条件

以本文案例中的状况进行分析可以看出，空冷器工艺介质为：20000m3/h的氢气、润滑油、基础油（60%）、以及少量石脑油、柴油等；操作压力为11MPa～12MPa，操作温度为110℃～120℃。

1.3 总结分析

高压空冷器对炼油、化工行业而言都至关重要，空冷设备故障必然引发整个运行装置的问题，极易引起全线停工问题。本文异构脱蜡装置的管束爆管分析可以看出，事故发生后所有相关装置不能正常运行，企业运作难度增加，经济损失严重。需要从空冷器的结构、介质腐蚀程度等多层次出发进行分析，提高整个空冷器的应用效果，方可避免泄露等问题带来的重大负面影响，具体分析如下。

2 事故空冷管束的结构分析

结合当代分析软件、信息技术，研究空冷结构方面需要关注流畅型角度的影响，并及时得出相关结论。其中钛管分析研究表明，作为工业级的纯钛材料，其中含有一部分铁、铝等杂质。钛金属中含有微量固溶态的铁元素，但是不会对钛的吸氢产生过大影响，同时钛金属表明铁含量较高，一定程度上会增加钛金属对氢的吸附，进而降低钛金属表明的保护层厚度，对钛金属中氢含量的增加会产生过大影响，易引发氢脆等问题。

首先，高压空冷设备中，一般管束的进口位置会采用钛金属进行内衬处理，多数为工业级别的纯钛，当外界达到150℃、高压影响下，氢气会快速冲刷金属表面，进而降低了腐蚀作用，此时内衬钛会最先发生腐蚀作用，进而容易产生破损问题。以上述案例为主进行分析，管束爆管发生未知在空冷器第一管程进口端周边。产生严重开裂的区域主要是在管束入口内衬管尾部位置，经测量，开裂区域与内衬管尾部相距28mm，其开口方向向下。后续对事故管束检查发现，管束内壁位置厚度具有一定的变化，其正下方厚度明显变薄。管束事故爆裂部位的内表面受介质冲刷作用的影响，一般多为光滑平整的状态，不会产生严重的污垢沉积作用。我们对第一管程的其他部位进行检测时发现，对管束衬管尾部核查后，在管束的衬管尾部具有较为明显的管壁变薄问题，但是需要引起注意的是在距离爆管较远的位置，管壁薄厚一般较为均匀。

其次，在对事故残骸进行分析比对后发现，一般空冷设备是常年连续使用，长期使用会引发管壁厚度不均的问题，使用一段时期后需要及时进行核查，避免后续爆管事故的发生。从空冷器结构出发进行爆管失效分析，问题主要包括下述几点：管束入管口位置具有强烈的涡流区，会对管束入口产生影响，如形成剪切冲刷流动涡流区，这种涡流流动影响会导致管束的管壁受到极为严重的外界冲击作用力，一定程度上增加了管壁腐蚀速度；此外，涡流速度作为一个矢量，其方向平行于管箱，进而会形成剪切冲刷作用，导致管束入口、管板膨胀连接位置产生剪切腐蚀作用。

再者，针对管束内部流体进行有限元分析后表面，管束内部介质一般在入口处具有较大的切应力，属于受腐蚀严重的位置，外界冲刷作用的影响极为突出。但是钛管内衬方面的切应力也不容忽视，过大切应力会产生一定作用，一般与钛管尾部10cm位置的受力值最大，切力作用强的区域具有较为明显的腐蚀作用，这一原因会增加钛管管束区管壁磨损状况，导致其极易变薄。此外，对于该位置进行处理中，还需要考虑其水相分率的影响，水相比例越高，电化学腐蚀越明显，这是导致内部衬管腐蚀速度增加的主要原因。从工艺运行角度出发，钛管内衬、翅片连接位置属于负压明显的位置，对涡流的形成具有一定影响，也是受损严重的区域之一。业内学者为了充分考虑空冷器管束尾部腐蚀、冲刷问题，针对爆管段管道突然变化等引发的腐蚀进行了计算机模拟，力求从理论模拟计算出发进行分析。

3 爆管原因及应对措施分析

3.1 爆管主要原因

对于空冷设备而言，爆管最为核心的原因是管束腐蚀问题，钛管在外界化学腐蚀作用下，可能产生严重的腐蚀问题，进而会引发钛管管壁厚度减小，引起使用性能下降，可能会导致相关设备无法满足行业最低使用要求，此时爆管概率大幅增加。如果钛材料中温度变化快、杂质比例增加，一定程度上也会增加钛管腐蚀速率。此外，高温状况下，会导致钛管抗腐蚀性能下降，但是管束材料如果是碳钢材质，一般可满足高压空冷设备的要求。结合业内相关案例、模拟试验段等分析可以看出，异构脱蜡高压装置中，其管束发生爆管起因是由于空冷器入口位置受介质、结构等影响，涡流现象突出，该位置具有介质流速大、流动形式复杂的特点，同时管束衬管位置处，尾端具有明显的扩径现象，也会对管束内壁产生冲刷、腐蚀作用，这是引发管壁变薄的最终原因，也是产生爆管事故的主要原因。

3.2 应对措施分析

可对空冷器第一管程进行材料方面的优化，复合管具有较好的应用效果，即空冷器管束的基管材料、形式等不发生变化，借助复合316L衬管进行处理，塑性变性后保证其与基管良好贴合，可确保管内介质流动过程更加稳定，避免管内局部涡流过于严重的现象发生；此外，可采用管束通长复合管材料，这种方法可以降低扩径问题，降低外界腐蚀的危害。再者，SEI专利技术较为合理，从空冷器制造、加工、设计的角度出发，可在空冷器管箱的入口区域设置一个具有分配孔板的结构，这种筛孔可降低涡流现象发生概率，可避免涡流对管束内壁的冲击作用，并降低管束入口、管板胀接位置的腐蚀影响。所有相关措施中需要加强检测手段的应用，包括超声波、涡流探伤和有色检查等，并根据空冷器运行年限等进行设备冲刷腐蚀方面的管理，一旦管壁厚度过小，低于下限状况，需要及时地进行管束更新，避免爆管事故的发生，这一举措具有显著积极的影响，可避免后期事故发生带来的重大经济损失问题。

结语

综上所述，高压空冷器是加氢裂化装置中的关键设备，一旦设备出现保管问题，将会对整个工艺流程产生严重危害。实践经验表明管束爆管将会引发严重的停运停产问题，经济损失突出。为此，需要根据高压空冷设备管束爆管原因、现象等进行分析，并根据现场状况、模拟实验等进行策略探讨。这对空冷设备的运行维护具有极大的帮助，是维持加氢裂化装置稳定性、合理性的重要保障。此外需要引起重视的是，必须加强对换热管、空冷结构的定期检测和管理，从运行维护角度出发降低后期事故发生概率。

参考文献

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