列管式換熱器是化工廠中最常見的換熱設備，但由于化工生產工藝條件復雜、介質多樣，換熱器常發生列管泄漏。對山西晉豐煤化工有限責任公司前熱交換熱器304換熱管泄漏原因進行分析，采用宏觀檢測、材料成分分析、介質檢驗和金相檢驗等方法，判斷該設備泄漏是由于介質作用下的應力腐蝕導致。通過原因分析，對日常設備管理提出要求，從而提高設備使用壽命。
一、前言
山西晉豐煤化工有限責任公司是晉煤集團全資煤化工企業，變換工段運用半水煤氣在耐硫低變觸媒的催化作用下，在一定的溫度、壓力條件下與水蒸氣反應，使原料氣中的CO轉化為易于清除的CO2，同時獲得合成氨所需的H2。經過各換熱設備冷卻降溫后，將合格的氣體送往變脫工段。先后共建設3套全低變工藝變換裝置，其中A2#變換裝置于2014年建成投產。
二、前熱交換器工藝流程
如圖1所示，2#變換爐二段出口的變換氣一部分進入前熱交換熱器上段與半水煤氣換熱，另一部分去冷激水加熱器加熱冷激水，分別換熱后的變換氣經過混合后進入中溫水解爐，再次對變換器中未轉化的COS進行水解轉化，以保證后工段對H2S的進一步脫出。水解后的變換氣經前熱交下段繼續換熱后進入水加熱器回收低位預熱，然后到水冷卻器冷卻降溫后再到變換氣分離器除去水霧后送二次脫硫工段。
三、前熱交換器基本參數
A2#變換前熱交換熱器為固定式管板換熱器，分為上下兩段換熱結構。其中殼程介質為變換氣，管程為半水煤氣，設計參數見表1。殼體材料為S30408不銹鋼，列管材質0Cr18Ni9，規格為φ25mm×2mm。
四、泄漏情況及初步檢查情況
2017年6月，前熱交換器泄漏，變換器出口CO超標，工藝指標無法控制，工藝置換隔離對其進行檢查維修。經檢查，拆檢后發現，下段換熱結構上端殼程介質入口處有前一工序中溫水解塔中的填料（主要成分Al2O3）。因水解爐中水解劑填料垮塌后，被高速的氣流帶至換熱器中。上段換熱結構上端列管也呈現出大面積腐蝕斷裂現象，斷裂區域表現出明顯的減薄脆斷，管外壁腐蝕嚴重。中間人孔部位觀察列管無明顯腐蝕現象，腐蝕區域均為靠近管板部分，腐蝕區域鈍化膜破壞。
原因分析
1.設計條件分析
250℃的設計溫度下，材料許用應力[σ]t=122MPa，無縫鋼管焊接接頭系數φ=1。對304換熱管進行強度計算，計算厚度δ=0.22mm。選用換熱管壁厚2mm，其中腐蝕裕量C 1=0，鋼板負偏差C 2=0。經校核換熱管最大允許工作壓力[P w]=21.22MPa，設計溫度下計算應力：σt=14.38MPa≤[σ]tφ，滿足設計條件強度要求。
2.宏觀檢查分析
因水解爐中水解劑填料垮塌后，被高速的氣流帶至換熱器中。填料對入口處的列管沖刷（見圖2），304不銹鋼管受沖擊產生輕微彎曲，同時因沖擊鈍化膜被破壞，介質作用后，腐蝕斷裂最嚴重，可看出泄漏列管分布情況。
上段換熱結構上端列管大面積腐蝕現象，腐蝕區域鈍化膜破壞，金屬沿管方向發生點蝕，裂紋沿周向斷裂，有主干與分支，呈樹干狀。腐蝕管段顏色灰暗，表面有腐蝕物，如圖3所示，初步判定為應力引起的腐蝕。
3.技術檢測分析
（1）管材化學成分分析通過管板可看出，列管接頭呈現出灰暗色，使用光譜檢測儀檢測列管化學成分，分析結果見表2，從表中殼看出管材成分符合《GB13296－2007鍋爐、熱交換器用不銹鋼無縫鋼管》標準中0Cr18Ni9要求，但其中Cr、Ni含量在標準值范圍內處于較低水平，對管材抗腐蝕性能有所影響。
（2）介質檢測分析按照設計，變換氣主要成分為CO、CO2、H2O及少量H2S，因變換氣前段處理工藝的觸媒接觸Cl-會造成觸媒中毒現象，因此在最初考慮應力腐蝕時，只考慮了濕H2S應力腐蝕。為確定氣體中H2S含量，對介質進行采樣分析。經采樣分析，殼程介質導淋排放的冷凝液Cl－含量為86.4ppm（1ppm=10－6，下同），pH值為8.13。氣體中H2S含量130~140ppm。判斷腐蝕應當為應力環境下Cl－與H2S作用的結果。
（3）金相分析經取部分管段做金相試樣分析，圖4、圖5分別為為未腐蝕管段與腐蝕管段王水腐蝕后試樣經王水溶液浸蝕后，100倍放大觀察結果。通過觀察金相組織，未腐蝕管段試樣為單一的奧氏體組織，表面材料固溶處理完善。腐蝕管段組織也是單一的奧氏體組織，裂紋沿穿晶方向進行，裂紋存在分支，從其形貌可判斷此裂紋屬應力腐蝕裂紋。
六、結論及措施
因工藝氣體中含有H2S和H2O，存在濕硫化氫應力腐蝕的環境，再加上工藝氣體中氯離子超標，在換熱管殘余應力狀態下，上段換熱結構主要腐蝕原因為濕H2S、Cl-造成的應力腐蝕。下段換熱結構因受到沖刷撞擊，換熱管鈍化層被破壞，列管彎曲，產生較大的彎曲應力為主導，加上換熱管拉應力，在工藝介質作用下，造成換熱器腐蝕斷裂泄漏。
在今后的生產中首先要嚴格規范工藝操作，加強設備巡檢維護工作，及時發現系統問題并處理；其次要監測工藝氣體指標，尤其要定時檢驗會對設備造成不良影響的成分含量，控制成分指標，避免因工藝損壞設備；再者在設備采購時要檢查各零部件材料成分，盡量避免使用含量在標準下限的鋼材，影響設備使用壽命；在下次設計采購中，考慮選擇高溫下抗應力腐蝕性能佳的材料。
