列管式换热器是化工厂中最常见的换热设备，但由于化工生产工艺条件复杂、介质多样，换热器常发生列管泄漏。对山西晋丰煤化工有限责任公司前热交换热器304换热管泄漏原因进行分析，采用宏观检测、材料成分分析、介质检验和金相检验等方法，判断该设备泄漏是由于介质作用下的应力腐蚀导致。通过原因分析，对日常设备管理提出要求，从而提高设备使用寿命。
一、前言
山西晋丰煤化工有限责任公司是晋煤集团全资煤化工企业，变换工段运用半水煤气在耐硫低变触媒的催化作用下，在一定的温度、压力条件下与水蒸气反应，使原料气中的CO转化为易于清除的CO2，同时获得合成氨所需的H2。经过各换热设备冷却降温后，将合格的气体送往变脱工段。先后共建设3套全低变工艺变换装置，其中A2#变换装置于2014年建成投产。
二、前热交换器工艺流程
如图1所示，2#变换炉二段出口的变换气一部分进入前热交换热器上段与半水煤气换热，另一部分去冷激水加热器加热冷激水，分别换热后的变换气经过混合后进入中温水解炉，再次对变换器中未转化的COS进行水解转化，以保证后工段对H2S的进一步脱出。水解后的变换气经前热交下段继续换热后进入水加热器回收低位预热，然后到水冷却器冷却降温后再到变换气分离器除去水雾后送二次脱硫工段。
三、前热交换器基本参数
A2#变换前热交换热器为固定式管板换热器，分为上下两段换热结构。其中壳程介质为变换气，管程为半水煤气，设计参数见表1。壳体材料为S30408不锈钢，列管材质0Cr18Ni9，规格为φ25mm×2mm。
四、泄漏情况及初步检查情况
2017年6月，前热交换器泄漏，变换器出口CO超标，工艺指标无法控制，工艺置换隔离对其进行检查维修。经检查，拆检后发现，下段换热结构上端壳程介质入口处有前一工序中温水解塔中的填料（主要成分Al2O3）。因水解炉中水解剂填料垮塌后，被高速的气流带至换热器中。上段换热结构上端列管也呈现出大面积腐蚀断裂现象，断裂区域表现出明显的减薄脆断，管外壁腐蚀严重。中间人孔部位观察列管无明显腐蚀现象，腐蚀区域均为靠近管板部分，腐蚀区域钝化膜破坏。
原因分析
1.设计条件分析
250℃的设计温度下，材料许用应力[σ]t=122MPa，无缝钢管焊接接头系数φ=1。对304换热管进行强度计算，计算厚度δ=0.22mm。选用换热管壁厚2mm，其中腐蚀裕量C 1=0，钢板负偏差C 2=0。经校核换热管最大允许工作压力[P w]=21.22MPa，设计温度下计算应力：σt=14.38MPa≤[σ]tφ，满足设计条件强度要求。
2.宏观检查分析
因水解炉中水解剂填料垮塌后，被高速的气流带至换热器中。填料对入口处的列管冲刷（见图2），304不锈钢管受冲击产生轻微弯曲，同时因冲击钝化膜被破坏，介质作用后，腐蚀断裂最严重，可看出泄漏列管分布情况。
上段换热结构上端列管大面积腐蚀现象，腐蚀区域钝化膜破坏，金属沿管方向发生点蚀，裂纹沿周向断裂，有主干与分支，呈树干状。腐蚀管段颜色灰暗，表面有腐蚀物，如图3所示，初步判定为应力引起的腐蚀。
3.技术检测分析
（1）管材化学成分分析通过管板可看出，列管接头呈现出灰暗色，使用光谱检测仪检测列管化学成分，分析结果见表2，从表中壳看出管材成分符合《GB13296－2007锅炉、热交换器用不锈钢无缝钢管》标准中0Cr18Ni9要求，但其中Cr、Ni含量在标准值范围内处于较低水平，对管材抗腐蚀性能有所影响。
（2）介质检测分析按照设计，变换气主要成分为CO、CO2、H2O及少量H2S，因变换气前段处理工艺的触媒接触Cl-会造成触媒中毒现象，因此在最初考虑应力腐蚀时，只考虑了湿H2S应力腐蚀。为确定气体中H2S含量，对介质进行采样分析。经采样分析，壳程介质导淋排放的冷凝液Cl－含量为86.4ppm（1ppm=10－6，下同），pH值为8.13。气体中H2S含量130~140ppm。判断腐蚀应当为应力环境下Cl－与H2S作用的结果。
（3）金相分析经取部分管段做金相试样分析，图4、图5分别为为未腐蚀管段与腐蚀管段王水腐蚀后试样经王水溶液浸蚀后，100倍放大观察结果。通过观察金相组织，未腐蚀管段试样为单一的奥氏体组织，表面材料固溶处理完善。腐蚀管段组织也是单一的奥氏体组织，裂纹沿穿晶方向进行，裂纹存在分支，从其形貌可判断此裂纹属应力腐蚀裂纹。
六、结论及措施
因工艺气体中含有H2S和H2O，存在湿硫化氢应力腐蚀的环境，再加上工艺气体中氯离子超标，在换热管残余应力状态下，上段换热结构主要腐蚀原因为湿H2S、Cl-造成的应力腐蚀。下段换热结构因受到冲刷撞击，换热管钝化层被破坏，列管弯曲，产生较大的弯曲应力为主导，加上换热管拉应力，在工艺介质作用下，造成换热器腐蚀断裂泄漏。
在今后的生产中首先要严格规范工艺操作，加强设备巡检维护工作，及时发现系统问题并处理；其次要监测工艺气体指标，尤其要定时检验会对设备造成不良影响的成分含量，控制成分指标，避免因工艺损坏设备；再者在设备采购时要检查各零部件材料成分，尽量避免使用含量在标准下限的钢材，影响设备使用寿命；在下次设计采购中，考虑选择高温下抗应力腐蚀性能佳的材料。
