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堿液加熱器泄漏分析

文檔作者：張述旺，胡香娥，嚴易明文檔來源：海工英派爾工程有限公司		點擊數(shù)：	更新時間： 2025年09月29日
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腐蝕與防護 石油化工設(shè)備技術(shù)，2010，31(4)·40· Petro—Chemical Equipment Technology
堿液加熱器泄漏分析
張述旺，胡香娥，嚴易明
(海工英派爾工程有限公司，山東青島266061)
摘 要：某裝置堿液加熱器在運行6個月后發(fā)現(xiàn)換熱管與管板焊接接頭處出現(xiàn)泄漏，經(jīng)分析認為，是由
于換熱器特殊結(jié)構(gòu)造成管接頭間隙處堿液聚集，濃度升高，形成NaOH 溶液應(yīng)力腐蝕所致。針對泄漏原因
對新管束的管接頭進行了消除應(yīng)力熱處理，加熱器在新管柬安裝后已安全運行近1年。文章對堿液加熱器
安穩(wěn)運行提出了改進建議。
關(guān)鍵詞：堿液加熱器；泄漏分析；改進措施
某裝置內(nèi)的堿液加熱器是一臺浮頭式換熱
器，型號為BES500—2．5—55—6／25—2，其在工藝流程
中的作用是用1．0 MPa蒸汽將2O 的NaOH溶
液(下文也稱“堿液”)加熱，升溫至5O℃ 。
該換熱器操作參數(shù)：
管程介質(zhì)為蒸汽，溫度180℃ ，壓力1．0
M Pa：
殼程介質(zhì)為20 堿液，人口溫度4O℃ 出口
溫度～55℃ ，壓力0．3 MPa。
裝置開工運行6個月，生產(chǎn)巡檢中發(fā)現(xiàn)加熱
器管程排凝時介質(zhì)異常，蒸汽冷凝水中NaOH含
量畸高，懷疑換熱器內(nèi)漏；將該換熱器切出后，拆
開檢查，發(fā)現(xiàn)換熱管與固定管板、浮動管板的連接
接頭有多處出現(xiàn)泄漏，對泄漏的接頭進行補焊，試
壓正常后投用。此后該加熱器仍多次出現(xiàn)泄漏，
雖經(jīng)幾次補焊，泄漏越來越嚴重，以致無法使用，
在此情況下，不得不停工，分析泄漏原因，尋找解
決方案。
1 管殼程介質(zhì)的腐蝕性
如果僅僅從本設(shè)備管、殼程介質(zhì)操作溫度及
壓力來看，單純由于強度不夠引起泄漏的可能性
很小，所以應(yīng)從介質(zhì)腐蝕方面人手。
管程介質(zhì)為蒸汽，腐蝕性較小，對材料的腐蝕
可認為是均勻腐蝕。
殼程介質(zhì)為20％ NaOH 溶液，在一定條件
下會發(fā)生應(yīng)力腐蝕。
碳鋼和低合金鋼在NaOH 溶液中的應(yīng)力腐
蝕破裂多數(shù)認為是陽極溶解引起的，反應(yīng)式如下：
Fe+4OH — Fe0；一+2H2 O+2e一
3FeO 一+ 4H 2 O— Fe3 O 4+ 6OH一+ H2
反應(yīng)結(jié)果，表面形成Fe。O 的保護膜。但如
果該處存在應(yīng)力，此膜受應(yīng)力作用而被破壞，繼而
再鈍化使膜修復(fù)，當這兩方面處于平衡時，發(fā)生陽
極溶解型的應(yīng)力腐蝕破裂，通常稱之為“堿脆”_1]。
影響碳鋼在Na0H 溶液中產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕開裂的
因素為濃度、溫度和應(yīng)力的存在。所以國家標準
中規(guī)定碳鋼設(shè)備儲存各種濃度的NaOH，當溫度
高于一定值時，焊后應(yīng)進行消除應(yīng)力熱處理 ，如
表1所示。
以上因堿液引起的應(yīng)力腐蝕已被認可，并列
入標準條款或被國家法規(guī)引用_3 。
表1 碳鋼在不同濃度NaOH溶液中的使用溫度上限
N )i1溶液【『一五 l 分戡1． ．÷ I() I
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N ()ll溶液l塤 分數(shù)、． - l ll ?’ J
2 泄漏原因分析
經(jīng)查，該換熱器的訂貨文件中要求如下：
管程、殼程材質(zhì)均為碳鋼；
收稿日期：2009—06—10。
作者簡介：張述旺(1971一)，男．山東臨淄人。1994年畢業(yè)
于石油大學(xué)(華東)化工設(shè)備與機械專業(yè)?，F(xiàn)在海工英派爾工
程有限公司從事化工設(shè)備設(shè)計工作，高級工程師。已發(fā)表論
文7篇。
Email：ZSW@ enpa1．crl
第31卷第4期 張述旺等．堿液加熱器泄漏分析
管板為20號鋼鍛件；
換熱管為1O號無縫鋼管。
換熱管與管板的連接形式為強度焊加貼脹，
見圖1。
圖1 換熱管與管板連接示意
熱處理要求：殼程殼體進行消除應(yīng)力熱處理。
僅就本臺設(shè)備殼程介質(zhì)NaOH 溶液的操作
條件，按標準規(guī)范的要求，可不進行熱處理，但熱
交換類設(shè)備與一般容器類設(shè)備存在區(qū)別，正是由
于換熱器結(jié)構(gòu)和工作原理與體積型容器的不同，
才使其在操作介質(zhì)達不到應(yīng)力腐蝕條件的情況
下，在局部特殊結(jié)構(gòu)處具備誘發(fā)應(yīng)力腐蝕的各項
條件，從而發(fā)生應(yīng)力腐蝕，致使其泄漏。
在制造中，管板管孔直徑比換熱管外徑要大，
即兩者之間存在間隙，這也是制造工藝過程中產(chǎn)
生的；本設(shè)備采用貼脹，即用脹管機械將換熱管外
壁與管孔內(nèi)壁緊貼在一起，該處間隙雖然減小了，
但卻不能消除，殼程介質(zhì)會在壓力作用下滲入。
GB 151—1999《管殼式換熱器》中6．18款“壓力
試驗”的要求，即通過對殼程進行水壓試驗，檢查
殼體焊接接頭質(zhì)量的同時，檢查換熱管與管板聯(lián)
接接頭，即檢查聯(lián)接接頭的致密性。
從此規(guī)定中也可看出，試驗液體可從換熱管
與管板間的間隙進入到管接頭處。在裝置的生產(chǎn)
過程中，在加熱器殼程，NaOH 溶液充滿殼體后，
在壓力作用下會沿換熱管與管板之間間隙滲入到
換熱管與管板的焊接接頭處，如圖1中圓圈所示
位置，在這個地方堿液就不再流動，即形成“死
區(qū)”。這就為堿液在該處聚集提供條件。
管接頭處溫度的影響。在管板管程側(cè)及換熱
管內(nèi)是180℃ 的高溫蒸汽，管板殼程側(cè)、換熱管外
部是4O～50℃ 的N OH 溶液。在正常操作情況
下，殼程殼體的溫度可認為是堿液的溫度，但在管
接頭及間隙處的溫度并不是堿液的溫度，管板及
換熱管溫度最高點是換熱管伸出管板的管端。對
于換熱管與管板間隙處的溫度，經(jīng)過簡單的傳熱
計算就可得出該處溫度遠遠高于殼程介質(zhì)——
NaOH 溶液的操作溫度(～5O℃)，接近于加熱蒸
汽溫度，可達160℃ 。
間隙里NaOH 溶液的濃度。前文中已提到
換熱管與管板間隙中的堿液處于不流動狀態(tài)，在
高于150℃ 的溫度下，間隙里堿液中的水有汽化
的傾向，汽化導(dǎo)致堿液中水分減少，水分的減少就
直接導(dǎo)致該處NaOH溶液的濃度越來越高，已遠
遠高于操作介質(zhì)20％的濃度。
管接頭中的焊接殘余應(yīng)力。焊接過程就其本
質(zhì)而言，是一個鑄造過程，是金屬構(gòu)件局部快速加
熱至高溫后又快速冷卻的過程，焊接區(qū)與其母材
間存在較高的溫度梯度。加熱時，高溫金屬的熱
膨脹受構(gòu)件剛性及周圍冷態(tài)金屬拘束，產(chǎn)生熱應(yīng)
力；冷卻時，焊縫金屬受周圍冷態(tài)金屬的約束而無
法自由收縮，從而形成殘余應(yīng)力。上述熱應(yīng)力和
殘余應(yīng)力就構(gòu)成了焊接應(yīng)力，焊接應(yīng)力是焊縫區(qū)
與周邊部位變形不協(xié)調(diào)而產(chǎn)生的。該應(yīng)力就一直
存在于焊接接頭金屬中。
以上幾點，即間隙里堿液的溫度和濃度的升
高，又由于管接頭焊縫金屬中存在的焊接應(yīng)力，誘
發(fā)應(yīng)力腐蝕的條件都已具備，電化學(xué)腐蝕不斷產(chǎn)
生，導(dǎo)致裂紋出現(xiàn)，發(fā)生泄漏?？梢哉J為，該換熱
器換熱管與管板焊接接頭發(fā)生泄漏是必然的結(jié)
果，是一起典型的NaOH溶液引起的“堿脆”開裂
事例。
3 加熱器泄漏的的解決方案及改造效果
鑒于原管束已無法繼續(xù)使用，必須更換新管
束，新管束的換熱管與管板連接仍采用強度焊加
貼脹，制作完畢經(jīng)檢驗合格后對管接頭進行消除
應(yīng)力熱處理。如果是換熱器管束修復(fù)，在現(xiàn)場沒
有熱處理條件時可用電加熱帶對換熱管與管板的
焊接接頭作覆蓋加熱，加熱溫度取620 ℃ ±
1O℃ ，保溫2 h。管板另側(cè)用耐高溫保溫材料包
裹，以保證管板順利升溫和溫度保持。
經(jīng)按上述方案重新制作的管束，安裝試壓正
常后投用，至今已有近一年時間，沒有再出現(xiàn)泄漏
的情況。
4 結(jié)語
雖然經(jīng)改造后的換熱器能夠正常使用，但仍
應(yīng)看到管板管接頭處還是存在NaOH溶液可能
引起的“堿脆”的隱患，即換熱管與管板間隙處仍
石油化工設(shè)備技術(shù)
有NaOH溶液聚集、濃縮的可能性。問題的徹底
解決還得從設(shè)置合理的工藝流程著手。堿液介質(zhì)
走殼程，為NaOH 進入換熱管與管板間隙處聚
集、濃縮提供了條件，正是因為選擇NaOH 溶液
走殼程，才使得間隙處形成流動“死區(qū)”，使堿液濃
度聚集成為可能。為保證今后該換熱器長周期正
常運行，應(yīng)改造現(xiàn)工藝流程，NaOH 溶液改走管
程，加熱蒸汽改走殼程。
管程走NaOH 溶液，保證了堿液在管束內(nèi)以
一定的速度正常流動，不會出現(xiàn)在換熱管與管板
的焊接接頭處產(chǎn)生不流動或流動不暢的情況。
另外，本次腐蝕開裂的泄漏點，即換熱管與管
板的焊接接頭處，也是管束以至整臺換熱器最薄
弱的位置。所以減少換熱管與管板焊接接頭的數(shù)
量，即減少薄弱點和潛在的泄漏點，也即減少了出
現(xiàn)泄漏的可能性，為此有必要改浮頭式換熱器為
U形管式。換熱管采用整根無縫鋼管制作，避免
出現(xiàn)拼接，如果不能避免，應(yīng)對接頭進行熱處理消
除應(yīng)力。管束的換熱管與管板連接仍采用強度焊
加貼脹，制作完畢，經(jīng)檢驗合格后對管接頭進行熱
處理消除應(yīng)力。
只有針對該換熱器的操作工況，消除引起
NaOH溶液應(yīng)力腐蝕的各種可能，才能保證設(shè)備
的長周期安穩(wěn)運行。
參考文獻：
Eli 石油化工裝置設(shè)備腐蝕與防護手冊EM]．中國石化
出版社，1996．
[2] HG 20581-1998 鋼制化工容器材料選用規(guī)定
Es]．
[3] 國家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局．壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程
(99版)EM]．北京：中國勞動社會保障出版社．
(上接第39頁)
質(zhì)上找原因。但是，從歷次閥桿折斷面來看，斷口
平整，金相組織無任何拉伸或剪切跡象，表現(xiàn)為明
顯的脆性應(yīng)力疲勞斷裂。由此推斷，閥桿材質(zhì)較
硬、較脆也是閥桿容易拆斷的相關(guān)原因。
(5)操作分析
一直以來，蒸汽管網(wǎng)平衡調(diào)整均由2號汽輪
機來執(zhí)行，為此，2號機組負荷波動大，調(diào)整頻繁。
如果兩臺機組因相同原因?qū)е麻y桿折斷，那么
2號機應(yīng)該比1號機嚴重一些。從表1統(tǒng)計結(jié)果
來看，2號機折斷5次，1號機折斷3次。2號機
正是比1號機嚴重，由此可見，頻繁操作調(diào)整，也
是閥桿折斷的誘因。
3 結(jié)語
進汽橫梁、閥錐設(shè)計不合理，是造成閥桿折斷
的主要原因。只要這一原因存在，閥桿折斷是必
然的，只是時問長短問題。安裝質(zhì)量好壞，是閥桿
壽命長短的重要因素。閥桿安裝質(zhì)量高，兩閥桿
高度一致，預(yù)緊力正常，則一對閥桿用4～7年是
沒有問題的。閥桿材質(zhì)、操作調(diào)整頻繁程度，對閥
桿壽命也有一定的影響。
4 預(yù)防及改進措施
(1)從橫梁閥錐結(jié)構(gòu)上改進，橫梁提升后，兩
側(cè)進汽閥錐兩個兩個依次打開，最后才是中間閥
錐打開，那么進汽汽流就均勻從橫梁兩側(cè)進入，避
免單側(cè)沖擊造成閥桿交變應(yīng)力疲勞而斷裂。但這
一措施要經(jīng)過嚴格的設(shè)計，否則負荷難以控制。
(2)為確保調(diào)速汽門安裝質(zhì)量，要求機修、車
間專門針對調(diào)速汽門更換，編制調(diào)速汽門檢修、更
換指導(dǎo)作業(yè)書，檢修時，嚴格執(zhí)行指導(dǎo)作業(yè)書操作
規(guī)程。車間設(shè)備管理人員應(yīng)到現(xiàn)場檢查、確認，嚴
格控制安裝質(zhì)量，確保兩閥桿裝配高度高度一致，
以及閥桿裝配后的預(yù)緊力，避免運行時閥頭松動
造成閥桿單邊受力。另外，要利用大修機會，檢查
修復(fù)進汽橫梁同閥桿頭部裝配面，保障兩側(cè)閥桿
裝配質(zhì)量。
(3)閥錐結(jié)構(gòu)沒有改變之前，盡量保持機組
運行平穩(wěn)，避免過多調(diào)整負荷，減少進汽橫梁和閥
桿受沖擊。
(4)考慮對閥桿材質(zhì)進行光譜分析，看其材
質(zhì)是否有問題，若有問題，則更換能滿足工況的較
韌的材質(zhì)。
(5)目前要儲備充足備件。

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