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嘉峪檢測網(wǎng) 2024-07-31 09:35
熱交換器是石油化工企業(yè)廣泛使用的一種通用設(shè)備，其主要功能是將高溫流體的熱量傳送給低溫流體，實現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)移和交換，以滿足工藝流程的需要，熱交換器能否穩(wěn)定安全運行直接關(guān)系到整個煉化企業(yè)的能耗、生產(chǎn)效率和經(jīng)濟效益等。
換熱管束是熱交換器的核心部件之一，GB/T 30579-2022規(guī)定的五大類損傷模式（腐蝕減薄、環(huán)境開裂、材質(zhì)裂化、機械損傷、其他損傷），換熱管束都有可能發(fā)生。目前，換熱管束的腐蝕檢測還存在以下問題：
(1) 針對在役熱交換器管束的監(jiān)管，主要依據(jù)TSG 21-2016《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》，其中明確指出換熱管屬于壓力容器本體中的主要受壓元件，需要進行定期檢驗，但后續(xù)卻未具體提及如何進行檢驗，這就給定期檢驗方案的制定帶來一定的困難。
(2) 在裝置大修時，在役換熱管數(shù)量極大，盲目全部檢驗會造成時間和經(jīng)濟效益的巨大浪費。
(3) 針對換熱管束，國內(nèi)使用單位通常采用工業(yè)高壓清洗或者在服役3~6年后整體更換，這樣的操作除了無法識別腐蝕管束外，還會造成巨大的經(jīng)濟損失。
針對換熱管腐蝕最為科學(xué)合理的處理方案應(yīng)為：通過一定的技術(shù)手段，在腐蝕當(dāng)量達到一定程度時，對部分管束進行預(yù)堵管操作。
為此，寧波市勞動安全技術(shù)服務(wù)有限公司的科研人員采用定量風(fēng)險評估技術(shù)對某煉化企業(yè)一臺熱交換器的管束進行了失效可能性和失效后果計算，并基于風(fēng)險等級制定了檢驗策略，隨后采用渦流和內(nèi)窺鏡技術(shù)對管束進行了腐蝕檢測，采用理論計算和實際檢測驗證相結(jié)合的手段，證明了定量風(fēng)險評估技術(shù)在熱交換器管束腐蝕檢測中的可行性和可靠性，以期為換熱管的檢驗檢測提供一個全新的思路，為換熱器的完整性管理和標準更新修訂打下一定的基礎(chǔ)。
1、定量風(fēng)險評估計算原理
1、失效可能性計算
在定量風(fēng)險評估計算過程中，將管束泄漏定義為管束的失效，當(dāng)管束的主導(dǎo)損傷模式為全面減薄時，管束的剩余壽命通?？梢杂迷急诤竦陌俜謹?shù)來表示，如果管束還包含其他損傷模式，如局部減薄、環(huán)境開裂、振動損傷等，則需要基于管束的剩余壽命來進行失效可能性預(yù)測。
API RP 581-2016規(guī)定了換熱管束的失效可能性計算式如下：
式中：Pf,tube為管束的失效概率；t為服役時間；β為無單位的威布爾形狀參數(shù)；η為按年計算的威布爾特征壽命。
在管束失效可能性計算中，β和η的取值是計算的關(guān)鍵，API RP 581-2016給出四種β和η的取值方法：
(1) 在可靠性數(shù)據(jù)庫中查找篩選與使用工況相匹配的管束，根據(jù)所查詢的數(shù)據(jù)繪制威布爾分布圖，計算β和η的值。
(2) 使用單位提供管束的β和η值。
(3) 使用單位提供管束的平均無故障工作時間tMTTF，在β=3的情況下，利用下式計算η（其中Γ為伽馬函數(shù)）：
(4) 在管束檢驗數(shù)據(jù)積累不少于兩個壽命周期，保持參數(shù)β和數(shù)據(jù)庫匹配參數(shù)相同的情況下，利用下式計算η：
式中：tdur,i為第i個管束的服役時間；r為歷年失效次數(shù)；N為最初的管束數(shù)量。
2、失效后果計算
熱交換器管束的失效后果只考慮經(jīng)濟后果，經(jīng)濟后果包括：停工經(jīng)濟損失cprod，環(huán)境費用cenv，管束更換費用cbundle，管束維護費用cmaint，失效后果Cf,tube按下式計算：
式中：uprod為系統(tǒng)每天的生產(chǎn)利潤；rred為管束停用導(dǎo)致的生產(chǎn)率下降值；Dsd為停工時間；以上三個數(shù)值均由使用單位提供。Dshell為換熱器殼體內(nèi)直徑；Ltube為管束長度；Mf為管束材料成本因子，有41種材料可供選擇，包含常見的換熱管束材質(zhì)。
環(huán)境費用cenv只考慮介質(zhì)為冷卻水時的情況，數(shù)值為100000美元。
管束維護費用cmaint需要根據(jù)使用單位現(xiàn)場經(jīng)驗或咨詢專家提供數(shù)據(jù)。
3、風(fēng)險分析
熱交換器管束隨時間而變化的風(fēng)險按下式計算：
風(fēng)險矩陣是識別高風(fēng)險管束的重要可視化工具，需要分別確定Pf,tube和Cf,tube所屬的等級，然后在二維風(fēng)險矩陣中表示出管束的風(fēng)險等級，Pf,tube和Cf,tube的等級分類如表1所示。
表1 換熱管束失效可能性和失效后果分類等級
4、檢驗策略
熱交換器管束基于風(fēng)險的檢驗策略不同于傳統(tǒng)壓力容器和常壓儲罐的檢驗策略，如表2所示，只給出了檢驗有效性和相應(yīng)的不確定性。檢驗人員需根據(jù)換熱管束常見的損傷機理和典型無損檢測方法，并參考表2的數(shù)據(jù)來編制不同檢驗有效性對應(yīng)的檢驗方法。
表2 換熱管束的檢驗有效性和不確定性
采用不同檢驗有效性的檢驗方法可以使威布爾分布的失效可能性曲線向右移動，檢驗有效性越高，不確定性越低，曲線向右側(cè)移動幅度越大，失效可能性下降的幅度越大。
2、定量風(fēng)險評估計算實例
1、熱交換器基本概況
該熱交換器屬于管殼式換熱器中的U型管換熱器，屬于第III類壓力容器，型號為B-E-U，殼程介質(zhì)為混合介質(zhì)，主要成分為苯乙烯、苯乙酮、甲基芐醇、水、甲苯和對甲苯磺酸等，屬于高度危害介質(zhì)，殼程工作溫度為167 ℃（進口）/210 ℃（出口），工作壓力為0.037 MPa，腐蝕裕量為1 mm；管程介質(zhì)為高壓蒸汽，工作溫度為215 ℃，工作壓力為3.97 MPa，換熱管材質(zhì)為合金20，長度為7856 mm，尺寸為?19.05 mm×2.11 mm，總數(shù)量為473根，換熱面積為218 m2，腐蝕裕量為3 mm，設(shè)計壽命為7年，投用日期為2019年9月。
2、風(fēng)險定量計算
采用挪威船級社DNV公司的定量風(fēng)險評估專業(yè)計算軟件Synergi Plant RBI Onshore進行計算，除了對基本數(shù)據(jù)進行錄入外，還需重點考慮β和η的取值方法。
雖然上述給出了四種取值方法，但目前國內(nèi)大部分換熱器使用單位沒有失效數(shù)據(jù)庫，且很難提供tMTTF的準確數(shù)值。同時，擬評估的換熱器投用不足兩個壽命周期。
李志峰等給出了β和η的取值方法，該方法在一定程度上解決了目前國內(nèi)換熱管束失效可能性計算的難題。具體是采用基于設(shè)計參數(shù)確定的威布爾特征壽命參數(shù)η，具體見下式，β按標準推薦值取3。
式中：γ為修正系數(shù)，取0.75；ts為換熱管的最小安全壁厚，mm；Crates為殼程側(cè)的腐蝕速率，mm/a；Cratet為管程側(cè)的腐蝕速率，mm/a。
針對本次擬評估的換熱管束，取γ=0.75，ts=0.6t=1.266 mm，對于殼程側(cè)腐蝕速率，主要腐蝕性介質(zhì)為對甲苯磺酸，近似參考API RP 581-2016標準中硫酸對合金20的腐蝕速率，取Crates=0.20 mm/a；管程側(cè)腐蝕速率咨詢相關(guān)腐蝕專家后取Cratet=0.01 mm/a，計算得到η=4.521。
定量風(fēng)險評估的時間節(jié)點設(shè)置如下：設(shè)定當(dāng)前時間節(jié)點為2022-07-01，三年后為2025-07-01，六年后為2028-07-01，計算結(jié)果見表3。
表3 換熱管束的定量風(fēng)險評估結(jié)果
從表3可以看出：在當(dāng)前時間節(jié)點下，換熱管束的失效可能性等級已達5級，在三年后和六年后，失效概率會大于0.9，失效概率極大；失效后果不隨時間變化，均為C級；總風(fēng)險水平呈現(xiàn)逐年上升的趨勢。因此，應(yīng)立刻對473根管束實施檢驗，降低換熱管腐蝕泄漏風(fēng)險。
3、檢驗策略制定
常見的換熱管束腐蝕和損傷機理有內(nèi)外壁腐蝕減薄、焊縫腐蝕、點蝕、裂紋、微動腐蝕、管板密封失效和沖蝕等。常見的換熱管束腐蝕檢測方法有目視檢查、超聲測厚、滲透檢測、渦流檢測、遠場渦流、旋轉(zhuǎn)超聲、聲脈沖、漏磁檢測、激光掃描和泄漏試驗等。
綜合考慮目前國內(nèi)換熱管束腐蝕檢測技術(shù)發(fā)展水平與API RP 581-2016標準對檢驗有效性和不確定的相關(guān)要求，給出了針對換熱管束的檢驗有效性分級與檢驗方法，如表4所示。
表4 換熱管束腐蝕減薄的檢驗有效性分級與檢驗方法
3、現(xiàn)場腐蝕檢測
綜合考慮473根管束的定量風(fēng)險評估結(jié)果、表4所示的推薦檢驗策略與本單位目前所擁有的檢驗資源水平，針對473根換熱管束，決定采用100%渦流檢測+異常部位的內(nèi)窺鏡復(fù)驗有效識別風(fēng)險與腐蝕情況，對于腐蝕當(dāng)量較大的管束進行堵管操作，確保該換熱器正常使用至設(shè)計壽命。
1、渦流檢測
由于換熱管束材質(zhì)為合金20，屬于非鐵磁性材料，因此需要采用常規(guī)渦流檢測技術(shù)，檢測設(shè)備為國產(chǎn)愛德森ECC-39型渦流檢測儀，按照標準NB/T 47013.6-2015的要求加工II型對比試樣，試樣尺寸如圖1所示。
圖1 渦流檢測II型對比試樣
合金20是ASTM-SB 729標準中的材料型號，檢測前依據(jù)NB/T 47013.6-2015中關(guān)于差動探頭靈敏度調(diào)試的要求進行多次調(diào)試，最終選擇三個頻率進行檢測，分別為f1=150 kHz，f2=75 kHz，f3=50 kHz。同時，設(shè)置f1與f3為混頻抑制折流板信號，記為M1通道，其他檢測工藝參數(shù)為：探頭外徑22 mm，檢測速度10 m/min。II型對比試樣的檢測圖譜如圖2所示。
圖2 II型對比試樣渦流檢測圖譜
從圖2可以看出，所選頻率檢測信噪比高，根據(jù)缺陷信號制作渦流檢測相位-傷深缺陷，以便后續(xù)快速判斷管束內(nèi)外壁的腐蝕深度。
圖3 腐蝕穿孔管束水壓試驗泄漏
在檢測過程中嚴格按照標準要求進行靈敏度檢查和復(fù)驗。經(jīng)檢測發(fā)現(xiàn)，存在缺陷的管束為22根，其中包括穿孔5根，并通過水壓試驗進行驗證，如圖3所示，證明了渦流檢測穿孔缺陷的可靠性，統(tǒng)計結(jié)果見表5，典型腐蝕缺陷渦流檢測圖譜見圖4。
表5 換熱管束渦流檢測結(jié)果統(tǒng)計表
圖4 典型缺陷渦流檢測圖譜
從檢測結(jié)果可以看出，換熱管束的腐蝕情況存在以下典型性特征：腐蝕管束主要集中在換熱管板上部和下部靠近圓周的位置，縱向位置主要集中在支撐板8和9、9和10之間，腐蝕類型均為外部腐蝕。
2、內(nèi)窺鏡檢測
內(nèi)窺鏡檢測屬于間接目視檢測，可用于人眼無法直接觀察場所的檢查和觀察，屬于無損檢測的一種，通常與照相機或計算機相連接，組成圖像采集系統(tǒng)。
由于內(nèi)窺鏡技術(shù)檢測速度較慢，所以僅針對渦流檢測存在缺陷信號的管束，采用內(nèi)窺鏡技術(shù)對其進行復(fù)驗，換熱管束的內(nèi)窺鏡檢測主要依據(jù)標準NB/T 47013.7-2015。檢測結(jié)果如圖5所示。
圖5 內(nèi)窺鏡檢測圖像
從內(nèi)窺鏡檢測結(jié)果可以看出，換熱管內(nèi)壁腐蝕情況較為輕微，外壁腐蝕情況較為嚴重，主要集中在靠近支撐板附近的位置，與渦流檢測結(jié)果具有較高的吻合度。
3、腐蝕原因分析
基于渦流檢測和內(nèi)窺鏡復(fù)驗結(jié)果，并參考換熱管束的操作工藝參數(shù)，可以看出管程介質(zhì)為高壓蒸汽，溫度為215 ℃，還未達到蒸汽腐蝕的溫度（通常在400 ℃以上）。然而，工業(yè)高壓蒸汽中會含有雜質(zhì)，這部分雜質(zhì)氣體的存在在一定程度上提高了高壓蒸汽的腐蝕性，但在本換熱管束的腐蝕過程中，其影響僅占據(jù)次要地位，造成換熱管腐蝕穿孔的主要原因是殼程介質(zhì)為復(fù)雜混合物，且含對甲苯磺酸。
對甲苯磺酸是一種無氧化性的有機強酸，工業(yè)上通常采用濃硫酸對甲苯磺化制取對甲苯磺酸，制得的對甲苯磺酸中常含有苯磺酸和硫酸雜質(zhì)。
目前，關(guān)于甲苯磺酸對合金20的腐蝕的文獻報道較少，需參考API RP 581-2016中硫酸對合金20的腐蝕數(shù)據(jù)進行分析：在硫酸質(zhì)量分數(shù)為5%，溫度為91 ℃，流速為0.91 m/s條件下，腐蝕速率為0.51 mm/a。
本研究中換熱器的操作工況為：殼程中對甲苯磺酸的質(zhì)量分數(shù)約為5%，溫度約為200 ℃，流速約為1.2 m/s。因此，推斷換熱管束外壁的腐蝕速率肯定大于0.51 mm/a，按設(shè)計壁厚2.11 mm計算，腐蝕穿孔的時間約為4.14年；其次，管程介質(zhì)成分復(fù)雜，在酸質(zhì)量分數(shù)低于70%時，腐蝕速率隨其質(zhì)量分數(shù)的增大而減小，復(fù)雜成分的介質(zhì)中極有可能存在氧化劑，這進一步加速腐蝕，最終導(dǎo)致?lián)Q熱管外壁腐蝕穿孔。
在風(fēng)險定量分析部分，對于腐蝕速率的設(shè)定還偏向保守，若進一步增大腐蝕速率的設(shè)定，則最終的失效可能性會更大，相當(dāng)于管束極有可能失效，這再一次證明了理論計算結(jié)果與實際檢測結(jié)果的高度吻合性。
4、結(jié) 論
(1) 定量風(fēng)險評估技術(shù)可以在一定程度上提前預(yù)測換熱管束的腐蝕情況。在今后的換熱管束腐蝕檢測過程中，可以預(yù)先通過定量風(fēng)險評估技術(shù)計算當(dāng)前風(fēng)險大小，合理安排檢測方法和檢測比例，在節(jié)約有限檢驗資源的前提下，確保降低換熱管束的失效可能性。
(2) 基于API RP 581-2016，首次提出了換熱管束腐蝕減薄的檢驗有效性分級與檢驗方法，該方法可操作性強，適用于目前我國換熱管束完整性管理的現(xiàn)狀。
(3) 該換熱管束外壁的腐蝕情況較為嚴重，需要提高管束材質(zhì)的耐蝕性等級，或者降低管束的設(shè)計壽命，或者增加管束的檢驗頻率，對于腐蝕當(dāng)量較大的管束進行堵管操作，必要時進行換熱管束的壽命預(yù)測，科學(xué)合理地報廢和換新管束，盡量使使用單位的經(jīng)濟效益最大化。
來源：《腐蝕與防護》
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