張雅新余 剛李崇勇（.中國石油遼陽石化公司機動設備處 遼陽 003）（.遼陽石化公司機械廠 遼陽 003）

硫磺水冷器管接頭泄漏分析與建議

張雅新1余 剛2李崇勇2
（1.中國石油遼陽石化公司機動設備處 遼陽 111003）
（2.遼陽石化公司機械廠 遼陽 111003）

摘 要：硫磺水冷器是煉化行業(yè)凈化排空氣體的硫磺回收裝置中重要設備之一，其內漏直接影響裝置的“安穩(wěn)長滿優(yōu)”運行。從腐蝕環(huán)境、設計結構、材料選用、質量計劃、使用管理以及定期檢驗等方面對硫磺水冷器的管接頭泄漏進行了分析，建議硫磺水冷器的設計應兼顧管/殼程介質的雙重腐蝕性，完善管端防腐結構、制造應保證管接頭連接的可靠性、使用管理在保證正常運行的同時尚應注重停工吹掃的腐蝕防護、定期檢驗更應關注管接頭的安全狀況等級評定。

關鍵詞：硫磺水冷器 管接頭 泄漏

一臺硫磺冷凝冷卻器（簡稱硫磺水冷器），大檢修后開工運行2個多月發(fā)生內漏（見圖1）。被迫停工搶修發(fā)現(xiàn)：管箱底部存有泥狀沉積物；管板及管接頭焊腳均有明顯腐蝕減薄，以出口端下部為嚴重；殼程水壓試驗發(fā)現(xiàn)下部8根管接頭處泄漏；修理補焊則產(chǎn)生多處管頭開裂；只能將泄漏的管接頭作堵管冷焊膠+防腐涂膠（見圖2）處理，試壓合格后監(jiān)控使用，并立即制造備臺。

查設備檔案：這臺硫磺水冷器為臥式固定管板NQN1800-0.28/0.53-412-6.06/38-2型［1］，其技術參數(shù)見表1，于2010年制造并投用，經(jīng)過近3年使用隨裝置大檢修后繼續(xù)運行。

圖1　管接頭泄漏

圖2　管接頭修補

表1　硫磺水冷器技術特性

1　腐蝕環(huán)境

硫磺水冷器除殼程的熱水蒸汽腐蝕［2-3］外，尚存在管程過程氣的下列腐蝕。

1）高溫硫化腐蝕［2-4］：碳鋼在300℃以上、不銹鋼在600℃以上易發(fā)生硫化，產(chǎn)生大量松疏的銹垢剝落，而使金屬不斷減薄。硫磺水冷器的管程過程氣進口溫度高達350℃，而管板為Q245R，并且管箱下部的泥狀腐蝕垢物以及管板表面明顯腐蝕減薄證實了高溫硫化的存在。

2）低溫露點腐蝕［2，3，5］：亞硫酸和硫酸露點腐蝕主要發(fā)生在硫磺回收單元的過程氣管道及硫凝器中。來自脫硫單元的酸性氣在克勞斯爐內和O2完全燃燒產(chǎn)生的SO2，SO2易溶于水，其水溶液（H2SO3）比H2S的水溶液更容易腐蝕金屬，腐蝕產(chǎn)物為FeSO3；當系統(tǒng)中O2過剩時，過程氣中的少量SO2會被氧化成SO3，當溫度低于露點時，SO3與水蒸氣結合生成稀H2SO4，稀H2SO4對設備的腐蝕更強于H2SO3，腐蝕產(chǎn)物為FeSO4。這種露點腐蝕可能發(fā)生在工藝過程氣流量偏小或殼程的熱水溫度偏低時，過程氣因溫度低于露點而凝結為酸液。這種現(xiàn)象在裝置停工過程吹掃處理不當時更為明顯，尤其是檢修時直接用水或蒸汽沖洗或運行時管接頭漏水等情況。而硫磺水冷器的換熱管選用的09CrCuSb（ND）正是耐硫酸露點腐蝕用鋼［6-8］。

3）濕硫化氫腐蝕［2，3，5］：H2S在有水分存在的環(huán)境中對鋼材具有很強的腐蝕性，是一種很強的滲氫介質，H2S主要有兩類腐蝕形態(tài)。一類是電化學腐蝕過程產(chǎn)生的全面或局部腐蝕，表現(xiàn)為金屬的壁厚減薄或點蝕穿孔；另一類是H2S導致的器壁開裂，由于陰極還原過程產(chǎn)生的H原子擴散至鋼中，從而可能誘發(fā)氫鼓泡（HB），氫誘發(fā)裂紋（HIC），硫化物應力腐蝕開裂（SSCC），應力導向氫誘發(fā)裂紋（SOHIC）等腐蝕形態(tài)。盡管硫磺水冷器在正常的操作工況下，管程的過程氣難以形成濕H2S腐蝕環(huán)境，但在裝置停工檢修時，可能因（設備與管道）系統(tǒng)處理不當，沒有嚴格執(zhí)行裝置停工吹掃操作規(guī)程（先用煙氣吹掃后再氮氣吹掃干凈并保持干燥），致使腐蝕性氣體滯留并隨降溫而產(chǎn)生濕氣冷凝，或直接用水或蒸汽沖洗腐蝕垢物，造成濕硫化氫腐蝕。當裝置開工運行時，管/殼溫差應力加劇了管接頭的開裂，導致殼程的水汽進入管程，促進露點腐蝕的發(fā)生，同時水汽與過程氣結合形成濕H2S腐蝕環(huán)境。

值得注意的是，殼程的熱水蒸汽對碳鋼為均勻腐蝕，而對不銹鋼則為局部腐蝕。對于奧氏體不銹鋼水冷器的腐蝕案例以Cl-的應力腐蝕（SCC）居多，并大多發(fā)生在傳熱面上的水側。由Cl-產(chǎn)生的不銹鋼SCC相當普遍，究其原因，一是奧氏體不銹鋼對Cl-的SCC敏感；二是Cl-不僅能破壞不銹鋼的鈍化膜產(chǎn)生孔蝕，而且尚能由孔蝕誘發(fā)SCC。這可能是硫磺水冷器原設計選用管接頭材料為管板Q245R/換熱管09CrCuSb，而不選用奧氏體不銹鋼的原因。

2　結構材料

合理選擇硫磺水冷器的結構型式與材料應對管/殼程介質的全面與局部腐蝕至關重要。這臺硫磺水冷器則采用了硫磺回收裝置中通用慣例的硫冷凝器結構形式，較為合理，具有如下特點。

1）這種通用慣例的結構形式大多為NQN型臥置固定管板式換熱器且不帶膨脹節(jié)，而材料多為碳鋼（尤其是引進裝置）［9-10］，所不同的是它采用了撓性薄管板結構形式，管板分別與殼體及管箱圓筒對接焊接，而換熱管與管板采用強度焊加貼脹。

2）介質流程選擇合理，高溫腐蝕過程氣走管程且換熱管選用φ38mm×3mm，而冷卻水走殼程并設置了蒸發(fā)空間。

3）管/殼程的進/出口溫度設定合理，管程過程氣的進/出口溫度為350/170℃，而殼程冷卻水（熱水/蒸汽）的進/出口溫度為95/148℃，即能達到硫氣冷凝冷卻為液硫，又不至于使酸性水汽低于露點凝結為亞硫酸或硫酸或硫化氫的腐蝕環(huán)境。

但從硫磺水冷器連續(xù)運行近3年后經(jīng)過裝置大檢修再次開工使用2個多月因泄漏開箱檢修看，由于管端設計未采取高溫硫化防護防腐措施［9-10］，盡管換熱管選用了耐硫酸露點腐蝕用鋼09CrCuSb，可是Q245R管板及管接頭仍然受到了過程氣的高溫硫化和低溫露點及濕硫化氫的腐蝕以至開裂泄漏。

3　使用管理

從設備檔案資料顯示，該設備系2010年制造并投用，經(jīng)過近3年連續(xù)運行隨裝置大檢修后繼續(xù)使用，但在運行2個多月發(fā)生管接頭泄漏。從這次被迫停工搶修所發(fā)現(xiàn)的狀況看，“管箱底部存有泥狀沉積物；管板及管接頭焊腳均有明顯腐蝕減薄，以出口端下部為嚴重；殼程水壓試驗發(fā)現(xiàn)下部8根管接頭處泄漏等”，使用管理值得探討。

1）硫磺水冷器只要連續(xù)運行，并按正常工況操作，雖處于高溫硫化腐蝕，但卻很少發(fā)生露點和濕硫化氫腐蝕。所以，日常巡檢應嚴格控制水冷器的工藝參數(shù)滿足設計要求。否則，若管程過程氣出口溫度過低或殼程進水溫度過低都會發(fā)生露點和濕硫化氫腐蝕的可能。

2）在裝置停工時，應嚴格執(zhí)行吹掃操作規(guī)程，先用煙氣吹掃，再氮氣吹掃干凈并保持干燥，杜絕系統(tǒng)內殘留腐蝕性氣體，切不可用水或蒸汽清洗管束，避免露點和濕硫化氫腐蝕發(fā)生。

3）定期檢驗報告中，只有壓力容器宏觀檢查報告、殼體測厚報告及殼體接管焊縫PT報告，而沒有針對管板及管接頭的檢驗報告。所有報告的檢驗結果均為合格，檢驗結論：設備的安全狀況等級評定為3級?？梢姡ㄆ跈z驗時應關注管接頭這個薄弱點。

4　措施建議

從硫磺水冷器管接頭泄漏原因分析可見，控制水冷器管接頭泄漏要從設計制造、使用管理以及定期檢驗等共同做起。

1）水冷器的選材要兼顧管/殼程介質的雙重腐蝕性，盡管09CrCuSb換熱管對耐管程過程氣的高溫硫化、低溫露點及濕硫化氫腐蝕和殼程的水汽腐蝕是一種較為理想的材料［6-7］，但由于沒有相應的板材或鍛件標準，管板須選用不耐高溫硫化等腐蝕的Q245R。對此建議設計應對管端采取防護防腐措施［9-10］，而不一味進行選材升級如316L［6-7］。由于管接頭所處工況苛刻，所以，制造應嚴格質量計劃，保證管接頭的強度焊焊腳高度和貼脹到位。

2）水冷器的安穩(wěn)長周期運行，不僅利好裝置系統(tǒng)而且更利于防腐蝕，所以使用管理應注重水冷器的操作規(guī)程尤其是管程出口溫度的控制；并且在裝置停工時，應嚴格執(zhí)行吹掃規(guī)程，杜絕系統(tǒng)內殘留腐蝕性氣體，嚴禁用水或蒸汽清洗管束。

3）管接頭是水冷器的薄弱點，定期檢驗應注重管接頭的檢查，并將管接頭的可靠性作為評定安全狀況等級［11］的必要判據(jù)。

5　結束語

作為煉化行業(yè)凈化排空氣體H2S的硫磺回收裝置，硫磺水冷器至關重要，其內漏不僅影響裝置的“安穩(wěn)長滿優(yōu)”運行，而且更關乎石化公司對社會的HSE責任。而實現(xiàn)水冷器的安穩(wěn)長周期運行，需要設計制造和使用管理及定期檢驗共同進行內漏的風險控制。

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中圖分類號：X933.4

文獻標識碼：B

文章編號：1673-257X（2016）02-0068-03

DOI：10.3969/j.issn.1673-257X.2016.02.018

作者簡介：張雅新（1967～），女，高級主管，工程師，主要從事腐蝕與防護研究工作。

收稿日期：（2015-05-05）

Analysis and Suggestion about the Leakage of Tube Joints in Sulfur Cooler

Zhang Yaxin1Yu Gang2Li Chongyong2
（1. PetroChina Liaoyang Petrochemical Company Machinery and Equipment Division Liaoyang 111003）
（2. PetroChina Liaoyang Petrochemical Company Machinery Factory Liaoyang 111003）

AbstractSulfur cooler，whose internal leakage will directly influence the “smooth，steady，long，full and excellent” operation of the unit，is one of the important equipments of sulfur recovery system，which is used to purify the vent gas in petrochemical industry. The analysis has been done on the leakage of tube joints in sulfur cooler in many ways，including corrosive environment，structure design，materials selection，quality plan，use management，periodic inspection，and so on. The suggestion is that the design of sulfur cooler should give consideration to the dual medium corrosively from both tube side and shell side，and perfect the corrosion prevention structure of tube-end，the construction should assure the reliability of connection using tube joints，the use management should not only assure the normal operation，but also pay attention to the corrosion and protection of the purging during the shutdown，the periodic inspection should put more focus on the rating of the safety situation for tube joints.

KeywordsSulfur cooler Tube joints Leak