双烯烃工艺生产中换热器泄漏分析及材质选用

双烯烃工艺生产中换热器泄漏分析及材质选用摘要：石油化工行业在国民经济中占有举足轻重的地位，随着石油化
工行业的发展，许多工艺流程也逐渐的成熟，企业在保证安全生产的前提下，将经济效益尽可能的最大化。

设备作为化工介质的传送、储存载体，
他们的完好性是保证化工介质安全运输和储存、分馏、换热、传质的重要
保障。

关键词：换热器；自聚物；腐蚀；泄漏
1前言
换热器是一种在不同温度的两种或两种以上流体间实现物料之间热量
传递的节能设备，是使热量由温度较高的流体传递给温度较低的流体，使
流体温度达到流程规定的指标，以满足工艺条件的需要。

化工企业中换热
器形式多以管壳式为主，而在生产装置中，一般以卧室冷凝器和立式再沸
器最为常见。

2双烯烃特性
化工企业化工产品多以单烯烃和双烯烃为主，单烯烃最常见的代表为
乙烯和丙烯，双烯烃最常见的是丁二烯和碳五双烯烃。

而实际化工生产过
程中，最常见的是换热介质为双烯烃和循环水的场合。

文章以丁二烯为例，说明双烯烃生产装置换热器管束泄漏原因分析及材质的选用。

丁二烯分子式为C4H6，由于其分子中含有共扼双键，可以发生取代、加成、环化和聚合等反应，在有机合成方面具有广泛的用途，是制造合成
橡胶、合成树脂、尼龙等的原料。

丁二烯在生产过程中，容易发生聚合反应，在有氧条件下更容易聚合，产生高分子橡胶状聚合物。

丁二烯过氧化
自聚物为浅黄色粘稠物体，相对分子量为800左右，比重比丁二烯大，易
沉积并积累于设备的死角处，其性质很不稳定，受撞击或急剧加热时会迅
速分解自燃引起爆炸。

橡胶状自聚物是一种丁二烯的热聚合物，进入聚合
系统，会影响橡胶的物理机械性能，并易堵塞设备和管路。

这些聚合物聚
合后体积膨胀，出现大量放热现象，可导致管道破裂、堵塞或爆炸。

通常，丁二烯二聚物没有易燃易爆危险性，少量时可看做丁二烯杂质，而量多时
会加剧生产过程中丁二烯的聚合。

同时，丁二烯自聚物能分解产生自由基，能引发丁二烯进行端基聚合，生成米花状固体聚合物-端基聚合物。

当端
基聚合物粒子增长超过一定期限时，丁二烯聚合热很难排出，形成局部过热，导致过氧化物急剧反应而引发爆炸。

同时，自聚物易胀裂管道和阀门。

3换热器管束常用几种材质性能分析
在进行换热器设计时，换热器各种零部件的材料，应根据設备的操作
压力、操作温度、流体的腐蚀性能以及材料的制造工艺性能及经济性等因
素综合考虑。

一般为了满足设备的操作压力和操作温度，即从设备的强度
或刚度的角度来考虑，是比较容易达到的，但是材料的耐腐蚀性能，有时
往往成为一个复杂的问题。

尤其是对于换热器管束材质的选用，如果考虑
不周，选材不妥，不仅会影响换热器的使用寿命，更会对设备及生产的安全、平稳运行带来严重的影响。

一般换热器管束常用材质，有碳钢和不锈钢。

①优质碳素结构碳钢：价格低，强度较高，对碱性介质的化学腐蚀比
较稳定，很容易被酸腐蚀。

一般换热器管束常用的材料为10号和20号碳钢。

②不锈钢：奥氏体系不锈钢以0Crl8Ni9（304）为代表，它是标准的
18-8奥氏体不锈钢，有稳定的奥氏体组织，具有良好的耐腐蚀性和冷加
工性能。

优质碳素结构钢和304不锈钢力学性能分析见表1。

通过力学性能对比，304不锈钢抗拉强度明显强于10号和20号优质
碳素结构钢，屈服强度基本相似，因此304不锈钢管束的抗应力腐蚀和抗
疲劳腐蚀明显优于碳钢管束，管束表面的抗点蚀性能更强于碳钢管束。

因此，从设备稳定性考虑，与循环水换热的管壳式换热器，管束材质应优先
考虑不锈钢。

4丁二烯生产工艺中换热器管束常见泄漏情况
化工生产中常见的换热器泄漏基本是因腐蚀引起，多以管束腐蚀泄漏
最为常见，偶尔也有管板泄漏的现象。

丁二烯生产工艺中，无论是管束或
者管板腐蚀泄漏，腐蚀原理基本为疲劳腐蚀、应力腐蚀和点腐蚀。

丁二烯
生产工艺中，因自聚产物聚合过程中，会频繁的发生丁二烯自聚、聚合物
膨胀、聚合物放热等现象。

聚合物的膨胀，会对换热管局部产生一定的挤压，并局部产生剪切应力和拉应力，加上聚合物膨胀过程中释放的热能，
会加剧换热管的局部变形，管束和管板连接处也会产生一定的拉应力。

管
束在交变载荷和腐蚀性介质交互作用下会形成裂纹及扩展的现象。

由于腐
蚀介质的作用而引起抗疲劳性能的降低。

在交变载荷下首先在表面发生疲
劳损伤，在连续的腐蚀作用下最终发生断裂或泄漏。

对应力腐蚀敏感或不
敏感的材料都可能发生腐蚀疲劳，因此没有一种金属或合金能抗腐蚀疲劳。

但是因为丁二烯的物理特性，导致疲劳腐蚀在丁二烯生产工艺中更为明显。

丁二烯生产工艺中常出现的管束腐蚀泄漏分析见表2。

5生产过程换热器运行情况分析
实际生产过程中，管壳式换热器基本是用在塔釜再沸器和塔顶冷凝器
两个工况。

因丁二烯等双烯烃易聚合难清洗的特性，所以不管是冷凝器还
是再沸器，丁二烯等双烯烃均走管程，循环水或者蒸汽走壳程。

对于碳钢
材质管壳式换热器而言，细菌数量、粘泥量、浊度、金属离子、pH、循环
水流速等因素，对换热设备的稳定运行有至关重要的作用。

细菌数量、pH、浊度等可通过添加阻垢剂、缓蚀剂、杀菌藻剂等药剂和过滤的方法进行有
效控制，但是实际生产过程中，循环水的流速更多受到工艺调节控制的影响。

当循环水量降低时，循环水的流速也会降低，这时候浊度会相应升高，粘泥量会逐渐加大，腐蚀从此刻便开始。

起初只是局部的点蚀，随着循环
水流速的进一步降低，换热管表面的点蚀加剧，并形成块状区域的腐蚀，
如图1、图2所示。

当换热管表面出现片状腐蚀时，换热管的强度和耐腐蚀性能已出现明
显下降，而丁二烯自聚过程中膨胀及放热，也会加快换热管的疲劳腐蚀和
应力腐蚀，最终导致换热管破裂、泄漏。

304不锈钢具有优良的不锈耐腐
蚀性能和较好的抗晶间腐蚀性能。

如果换热管采用304不锈钢，其他部位
采用碳钢，这样传热效果好，不容易积垢，易清洗，也可适当提高换热器
的稳定运行，降低设备生产成本，提高经济效益。

实践证明，壳程走循环水，管程走双烯烃介质的换热器，换热管极易发生管束泄漏而影响装置稳
定生产。

而壳程走蒸汽，管程走双烯烃的换热器，换热管的运行周期则相
对更长。

即循环水相对于其他流体而言，对换热器管束的材质有更高的要求。

6结语
因丁二烯等双烯烃的特殊性，所以在丁二烯装置换热器选材时，应根
据换热器管壳程介质选择换热器的材质。

虽然碳钢管束的换热器在原始采
购时，相对于不锈钢管束价格优惠很多，但是不锈钢管束的换热器不仅保
证了设备的长周期运行，而且在聚合物堵塞管道时，高压水清洗的难度也
相对降低，设备检修消耗的时间和产生的修理费也明显减少。

因此，从设
备长周期运行及综合经济效益方面考虑，在双烯烃生产工艺中，不锈钢管束更优于碳钢管束。

樊云峰（1987-），男，汉族，湖北武汉人，现职称：助理工程师，学历：大学本科，从事检维修计划工作。