高曉斐 錢 峰 錢錦遠(yuǎn) 費(fèi) 揚(yáng) 金志江

(1.浙江大學(xué)化工機(jī)械研究所；2.浙江玉泉環(huán)境工程有限公司)

加氫換熱器典型失效行為分析及其應(yīng)對(duì)措施*

高曉斐**1錢 峰2錢錦遠(yuǎn)1費(fèi) 揚(yáng)1金志江1

(1.浙江大學(xué)化工機(jī)械研究所；2.浙江玉泉環(huán)境工程有限公司)

基于加氫換熱器典型失效行為的產(chǎn)生機(jī)理和表現(xiàn)形式，將其歸納為腐蝕破壞失效、結(jié)晶結(jié)垢失效和密封泄漏失效3類，并對(duì)其進(jìn)行了實(shí)例分析，同時(shí)提出相應(yīng)的應(yīng)對(duì)措施。

加氫換熱器 失效行為 應(yīng)對(duì)措施

換熱器是化工廠中重要的化工設(shè)備之一[1]，是使熱量從熱流體傳遞到冷流體的設(shè)備[2]。加氫換熱器是加氫裂化裝置的關(guān)鍵設(shè)備之一，主要用于原料油與反應(yīng)生成油的熱量交換。由于加氫換熱器長期處于高溫(280～500℃)、高壓(14～20MPa)及臨氫等惡劣工況條件下，設(shè)備材料不但要耐高溫、抗氫蝕，而且還要具有良好的綜合機(jī)械性能和回火脆性[3]。此外，由于設(shè)備內(nèi)部介質(zhì)屬于易燃、易爆物質(zhì)，設(shè)備一旦發(fā)生泄漏，造成的損失不可估量，因此開展對(duì)加氫換熱器失效行為的分析十分必要。

1 加氫換熱器的失效行為分類

圖1是一個(gè)典型的加氫換熱器結(jié)構(gòu)簡圖，其主要由管程和殼程兩部分組成，且一般在圓筒形殼體中放置由許多管子組成的管束；管子的一端或兩端固定在管板上，其軸線與殼體的軸線平行。通常情況下，為了增加管外流體的擾動(dòng)、支撐管束和改善傳熱特性，在筒體內(nèi)安裝折流板及折流柵等折流部件。此外，圖1所示的加氫換熱器采用了浮頭式結(jié)構(gòu)，且保溫夾套結(jié)構(gòu)的使用減少了裝置與外部環(huán)境之間的熱交換[4]；固定螺釘保證了設(shè)備的密封性和耐壓性。

圖1 加氫換熱器結(jié)構(gòu)簡圖

由于加氫換熱器所處工況惡劣，且介質(zhì)為原油等成分復(fù)雜的流體，因此極易發(fā)生失效行為。筆者根據(jù)目前已發(fā)生的各類失效行為的產(chǎn)生機(jī)理和表現(xiàn)形式，將其歸納為腐蝕破壞失效、結(jié)晶結(jié)垢失效和密封泄漏失效3類。

1.1腐蝕破壞失效

腐蝕破壞是加氫換熱器最主要的失效形式，主要類型有氫腐蝕、氫脆、高溫硫化氫腐蝕、應(yīng)力腐蝕、晶間腐蝕、沖刷腐蝕及回火脆性損傷等[5～7]。腐蝕破壞最易發(fā)生在溫差應(yīng)力較大處、有焊接殘余應(yīng)力處和管路彎頭處[8]，以氫腐蝕與應(yīng)力腐蝕最為常見。

氫腐蝕是指在高溫高壓條件下，部分氫分子分解成氫原子或氫離子，通過金屬晶格、晶界擴(kuò)散進(jìn)入金屬材料，并與金屬中的不穩(wěn)定碳化物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成甲烷氣體；隨著氣泡數(shù)量的增加，其在晶間空穴和非金屬夾雜處聚集，導(dǎo)致局部壓力升高、應(yīng)力集中，進(jìn)而使晶界變寬，形成裂紋，并造成鋼強(qiáng)度和韌性下降。

應(yīng)力腐蝕是指金屬材料在靜拉應(yīng)力和腐蝕介質(zhì)共同作用下，表面的氧化膜受到破壞，形成陽極和陰極，陽極處的金屬成為離子而被溶解，進(jìn)一步腐蝕已破壞的表面；同時(shí)，在拉應(yīng)力的作用下，破壞處逐漸形成裂紋，并隨時(shí)間逐漸擴(kuò)展直到斷裂。應(yīng)力腐蝕不僅可以沿金屬晶粒邊界發(fā)展，還能穿過晶粒發(fā)展。加氫換熱器在濕硫化氫環(huán)境和焊接殘余應(yīng)力的共同作用下，很容易發(fā)生應(yīng)力腐蝕[9]。

1.2結(jié)晶結(jié)垢失效

由于處于成分極其復(fù)雜的流體介質(zhì)作用下，加氫換熱器在實(shí)際工況下極易發(fā)生結(jié)晶結(jié)垢失效，其主要類型有化學(xué)反應(yīng)結(jié)垢、類析晶結(jié)垢、粒結(jié)垢、生物結(jié)垢及凝同結(jié)垢等[10]，其中以化學(xué)反應(yīng)結(jié)垢最為常見。

加氫換熱器內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)結(jié)垢通常是指介質(zhì)中的硫化物、氮化物與加氫裂化過程中產(chǎn)生的氯化氫反應(yīng)生成的氯化銨在溫度較低時(shí)結(jié)晶并附著在換熱管管壁上而產(chǎn)生的失效行為。該類失效會(huì)降低換熱器的傳熱系數(shù)、增大系統(tǒng)壓降[11～13]，進(jìn)而使系統(tǒng)能耗增加，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)因管路堵塞引起加氫換熱器爆炸[14,15]。

1.3密封泄漏失效

加氫換熱器的操作介質(zhì)易燃、易爆，且操作溫度和壓力均很高，不允許有任何的泄漏。密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是加氫換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中最重要的環(huán)節(jié)之一。通常情況下，其密封泄漏破壞可分為內(nèi)泄漏和外泄漏兩類，以內(nèi)泄漏最為常見。

內(nèi)泄漏主要是指由于腐蝕或焊接質(zhì)量問題等原因，造成換熱管與固定管板連接處、浮頭密封處及固定管板等開裂或破壞而引起的密封泄漏失效行為[4]。內(nèi)泄漏發(fā)生在換熱器內(nèi)部，不易被檢測(cè)到，造成的影響也較大。此外，螺栓預(yù)緊力不夠、溫度與壓力突然變化形成交變載荷也會(huì)引起加氫換熱器密封泄漏失效。

2 腐蝕破壞的應(yīng)對(duì)措施

2.1氫腐蝕破壞典型案例分析

自二十一世紀(jì)以來，甘肅省以提高種子質(zhì)量檢驗(yàn)人員素質(zhì)作為重點(diǎn)，舉辦技術(shù)培訓(xùn)班數(shù)次，累計(jì)培訓(xùn)相關(guān)骨干兩千人左右。極大程度地充實(shí)了檢驗(yàn)人員團(tuán)隊(duì)，當(dāng)頒布農(nóng)作物種子檢驗(yàn)考核制度后，甘肅省大約有兩百人左右，獲得檢驗(yàn)員資格證書，大約有九百人左右獲得種子質(zhì)量檢驗(yàn)人員證書。同時(shí)針對(duì)馬鈴薯脫毒檢測(cè)的特殊性，實(shí)行有效的結(jié)合方式，重點(diǎn)培訓(xùn)田間檢驗(yàn)和室內(nèi)病毒檢測(cè)等，從而快速掌握技術(shù)要求和檢測(cè)措施，讓全省種子檢測(cè)人員的能力和水平得到提升。

某石化公司加氫換熱器的運(yùn)行工況如下：壓力為14MPa、殼程為295～300℃的高溫裂解氣，管程為280～285℃的原料氣。其管箱母材為2.25CrlMo鍛件，內(nèi)襯為兩層不銹鋼堆焊層(底層材料為308L，表層材料為309L)；殼體和下封頭材料為2.25CrlMo，沒有不銹鋼堆焊層[5]。設(shè)備投入運(yùn)行兩年后，發(fā)現(xiàn)管板殼體側(cè)和周圍殼體上均出現(xiàn)腐蝕[5]。腐蝕主要發(fā)生在墊片的底部區(qū)域(圖2)，其中墊片底座下局部腐蝕最為嚴(yán)重，腐蝕坑最深處達(dá)12mm，隨著向下距離的增加，腐蝕厚度逐漸減小。

圖2 典型換熱器腐蝕結(jié)構(gòu)示意圖

通過分析發(fā)現(xiàn)，加氫換熱器靠近反應(yīng)器，其入口段介質(zhì)和狀態(tài)與反應(yīng)器基本相同，操作壓力大、溫度高，且介質(zhì)中含有硫化氫，是典型的臨氫環(huán)境。由于在富氫環(huán)境中，氫作為間隙型原子不斷地侵入設(shè)備的硫化物腐蝕層，造成腐蝕層疏松多孔，破壞了硫化氫腐蝕膜的保護(hù)作用，使金屬原子和硫化氫介質(zhì)相互擴(kuò)散滲透，對(duì)底座等結(jié)構(gòu)進(jìn)行腐蝕[16,17]。因此，可采用奧氏體不銹鋼防止此類失效行為。奧氏體不銹鋼表面的氫擴(kuò)散度低，可阻礙氫的活動(dòng)，并可明顯降低合金中的氫分壓。通過對(duì)裝置進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)補(bǔ)焊修復(fù)，補(bǔ)焊前進(jìn)行表面處理和預(yù)熱，補(bǔ)焊后進(jìn)行焊后熱處理和焊后檢測(cè)，修復(fù)后設(shè)備運(yùn)行正常。

2.2應(yīng)力腐蝕破壞典型案例分析

某石化公司氫化裂解裝置的換熱器由321不銹鋼制成。停機(jī)一段時(shí)間后，在400℃下運(yùn)行48h，發(fā)現(xiàn)換熱管在彎曲處產(chǎn)生裂紋[18]。

為探究其失效原因，工作人員截取了部分裂紋段作為試樣，對(duì)其進(jìn)行電子光學(xué)技術(shù)和X射線衍射分析，發(fā)現(xiàn)裂紋是由連多硫酸引發(fā)的應(yīng)力腐蝕產(chǎn)生的。由于硫化氫的存在，管子內(nèi)表面有一層含硫覆蓋層，與停機(jī)時(shí)產(chǎn)生的凝結(jié)水反應(yīng)形成了連多硫酸；而U形管通過冷彎加工，造成的位錯(cuò)在一定界面上大量聚集，存在較大的殘余應(yīng)力[19]。殘余應(yīng)力和錯(cuò)位面的連多硫酸共同作用引發(fā)了應(yīng)力腐蝕裂紋的產(chǎn)生[20]。

為防止這類失效的再次發(fā)生，需將介質(zhì)中的硫除去[21]?？梢酝ㄟ^改變操作條件來防止連多硫酸的形成[18]，從而避免此類問題的發(fā)生。此外，利用熱處理消除焊接與冷加工的殘余應(yīng)力、進(jìn)行穩(wěn)定化和固溶處理以及采用超低碳不銹鋼等亦可防止應(yīng)力腐蝕的產(chǎn)生。

3 結(jié)晶結(jié)垢破壞的應(yīng)對(duì)措施

3.1氯化物結(jié)垢典型案例分析

某石化公司因柴油加氫精制裝置改造需要，于某年4月將重油加氫脫硫裝置的4臺(tái)不銹鋼反應(yīng)器流出物的換熱器用做精制反應(yīng)流出物/混合進(jìn)料換熱器。該換熱器為非標(biāo)U形管換熱器，管束材料為SUS321，殼程和封頭內(nèi)壁材料為SUS347[15]。使用不到一個(gè)月，該組換熱器的換熱效率就出現(xiàn)嚴(yán)重不足，僅為原有設(shè)計(jì)值的40%。

為探究換熱效率驟降原因，對(duì)換熱器進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)檢查，發(fā)現(xiàn)管內(nèi)沒有結(jié)垢，管外壁有大量黑褐色粉末狀物質(zhì)，并有大量黑色垢狀物質(zhì)牢固地附著在管束表面。經(jīng)對(duì)管束外表面的垢物進(jìn)行成分分析，發(fā)現(xiàn)其為FeSO4及FeCl3等。通過對(duì)換熱管表面進(jìn)行水沖洗、化學(xué)清洗及鈍化等清洗操作[15]，運(yùn)行一個(gè)月后進(jìn)行標(biāo)定，換熱效率達(dá)到設(shè)計(jì)值的80%，裝置運(yùn)行得到明顯改善。

為防止此類失效的發(fā)生，通?？刹捎脵C(jī)械清洗、化學(xué)清洗及超聲波除垢等方法[10]。機(jī)械清洗一般采用噴射清洗和管內(nèi)插入物清洗，其優(yōu)點(diǎn)是操作方便，但清洗時(shí)需拆卸設(shè)備，且易造成機(jī)械損傷；化學(xué)清洗可避免這一缺點(diǎn)，其清洗更加全面，但清洗要求較高，清洗劑的選擇和配置較麻煩；超聲波除垢是一種新型除垢方法，目前已被應(yīng)用在石油化工等很多行業(yè)，但這項(xiàng)技術(shù)還未發(fā)展成熟[10]。此外，定期檢查與維修對(duì)于解決加氫換熱器的結(jié)垢問題、提高其換熱效率和工作壽命都具有很大作用。

3.2銨鹽結(jié)垢典型案例分析

某石化公司建成投產(chǎn)一套催化重整裝置，重整裝置預(yù)加氫進(jìn)料換熱器管程操作壓力設(shè)計(jì)值為2.2～2.8MPa，管程操作溫度為300～390℃[8]。然而在運(yùn)行過程中，設(shè)備中的加氫換熱多次發(fā)生管程堵塞故障，嚴(yán)重影響裝置的正常生產(chǎn)。

通過分析發(fā)現(xiàn)，重整原料中的硫、氮及氯等元素在預(yù)加氫反應(yīng)中生成鹽酸、硫化氫及氨氣等，三者反應(yīng)生成硫化銨及氯化銨等鹽類。氯化銨在常溫下為白色粉末，360℃時(shí)會(huì)升華，遇少量的水又易結(jié)晶，換熱管端部、換熱管內(nèi)及管板等流體速度低的地方沉積，進(jìn)而堵塞換熱管。

由于硫化銨和氯化銨極易溶于水，通?？梢圆捎米⑺姆椒▉砣コ齕8]。此外，減緩加氫換熱設(shè)備內(nèi)高溫結(jié)垢的措施還有：加快原油介質(zhì)流動(dòng)；設(shè)備內(nèi)使用翅片及折流板等插件，以增強(qiáng)對(duì)污垢的沖刷作用；使用阻垢劑等[22]。

4 密封泄漏破壞的應(yīng)對(duì)措施

某煉化公司的加氫裂化裝置的換熱器采用繞管式換熱器。某次巡檢中發(fā)現(xiàn)設(shè)備殼程放空口接管處存在泄漏，因此將裝置進(jìn)行停工處理。經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)，泄漏點(diǎn)位于放空管與上封頭之間的角焊縫靠近封頭母材側(cè)的熔合線上[23]，裂紋狀缺陷長度約5mm(圖3)。

圖3 上封頭與放空口連接處結(jié)構(gòu)示意圖

通過查閱工況記錄發(fā)現(xiàn)，設(shè)備在前日下午4點(diǎn)時(shí)，受系統(tǒng)電網(wǎng)停電影響，經(jīng)歷了一次緊急降溫、降壓過程。反應(yīng)器在6個(gè)小時(shí)內(nèi)壓力從14.15MPa降至3.77MPa，溫度從383℃降至280℃[23]。正常停工時(shí)，設(shè)備由于要經(jīng)過較長時(shí)間緩慢泄壓、熱氫帶油及恒溫解氫等步驟，間隙中集聚的氫氣可反向通過滲透溢出；而在設(shè)備緊急泄壓、降溫的情況下，焊縫間隙中氫分壓引起的拉應(yīng)力和不同金屬材料因溫度變化引起的熱應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致焊縫開裂，并最終導(dǎo)致設(shè)備泄漏[4,24]。若在本裝置結(jié)構(gòu)中設(shè)置信號(hào)孔，滲透的氫原子可變成氫氣跑掉，減少拉應(yīng)力的產(chǎn)生，從而避免泄漏行為的發(fā)生。

避免密封泄漏的發(fā)生，需要注意各個(gè)焊縫質(zhì)量，同時(shí)還需加強(qiáng)對(duì)工況的控制，尤其是溫度和壓力的突然變化。

5 結(jié)束語

為減少加氫換熱器的腐蝕失效，一方面應(yīng)從選材上著手，根據(jù)工藝需要選取合適的材料，如可以盡量選取奧氏體不銹鋼；另一方面應(yīng)從加工工藝質(zhì)量上著手，特別是焊接技術(shù)需要嚴(yán)格把關(guān)，盡量消除殘余應(yīng)力。另外，應(yīng)降低加氫換熱器原料中的氯含量，以減緩腐蝕速度。對(duì)于易結(jié)垢設(shè)備，可設(shè)置兩臺(tái)設(shè)備，定期輪換停工進(jìn)行水沖洗或化學(xué)清洗，在運(yùn)行時(shí)也可以使用阻垢劑等。當(dāng)然，設(shè)備在運(yùn)行時(shí)的定期檢測(cè)和維修，也是減小突發(fā)事故發(fā)生的重要措施。為減小加氫換熱器的密封泄漏問題，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)在確保安全的前提下，盡量減輕設(shè)備重量、減少設(shè)備主螺栓尺寸、降低設(shè)法蘭尺寸與重量及優(yōu)先選用Ω環(huán)密封結(jié)構(gòu)等。隨著石油深加工產(chǎn)業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展，加氫換熱器作為加氫裂解的重要裝置之一，其失效防范研究和工業(yè)應(yīng)用技術(shù)將得到重視與發(fā)展。

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FailureBehaviorAnalysisofHydrocrackerHeatExchangerandItsCountermeasures

GAO Xiao-fei1, QIAN Feng2, QIAN Jin-yuan1, FEI Yang1, JIN Zhi-jiang1

(1.InstituteofProcessEquipment,ZhejiangUniversity,Hangzhou310027,China;2.ZhejiangYuquanEnvironmentalEngineeringCo.,Ltd.,Huzhou313023,China)

Basing on analyzing the mechanism and forms of the hydrocracker heat exchanger’s failures, the failure behaviors were divided into the corrosion failure, the crystal scaling failure and the seal leakage failure, and these special failure forms were analyzed to propose their countermeasures so that the actual industrial application can be benefited.

hydrocracker heat exchanger, failure behavior, countermeasures

*浙江省科技計(jì)劃重大專項(xiàng)項(xiàng)目(2012C11018-1)。

**高曉斐，女，1990年2月生，碩士研究生。浙江省杭州市，310027。

TQ051.5

A

0254-6094(2015)01-0011-05

2014-04-15，

2015-01-05)