陳 罡 曾海云 劉 巖 張 光

（中國(guó)石油遼陽(yáng)石油化纖公司建修公司 遼陽(yáng) 111003）

某加氫精制裝置3臺(tái)Ω環(huán)焊接密封結(jié)構(gòu)的U形管式換熱器E01ABC，其中E01C在管程側(cè)管板的上部先后發(fā)生兩次Ω環(huán)與管板焊縫熔合線開(kāi)裂。對(duì)此，筆者從設(shè)計(jì)、使用、修理等方面進(jìn)行分析。

1 使用概況

Ω環(huán)焊接法蘭屬于無(wú)墊片焊接密封法蘭[1]結(jié)構(gòu)的一種，當(dāng)Ω環(huán)用作高溫高壓U形管式換熱器的管箱法蘭與殼體法蘭經(jīng)緊固件夾持管板的密封元件時(shí)，類似墊片安裝在密封面處，將Ω環(huán)分為兩半，分別與管箱法蘭和管程側(cè)管板密封面或殼程側(cè)管板密封面和殼體法蘭的內(nèi)測(cè)密封焊接，然后用緊固件擰緊，再將兩半環(huán)組焊成Ω環(huán)，如圖1所示。由于這種結(jié)構(gòu)的密封性能靠Ω環(huán)的密封焊來(lái)保證，雖無(wú)須墊片壓緊力（按無(wú)墊片考慮），但為保證Ω環(huán)的密封焊縫在操作狀態(tài)下不至開(kāi)裂，應(yīng)使Ω環(huán)處于軸向壓縮或自由狀態(tài)，因此仍需要適當(dāng)?shù)穆菟A(yù)緊力。但這種Ω環(huán)焊接密封所需的螺栓載荷遠(yuǎn)小于有墊片的密封結(jié)構(gòu)，因此減小了法蘭與螺栓的尺寸。由于Ω環(huán)焊接密封結(jié)構(gòu)的可靠性和具有軸向變形能力，廣泛用于高溫、高壓、溫度或壓力波動(dòng)、介質(zhì)滲透性強(qiáng)，或高（低）溫引起緊固件松弛而造成泄漏的場(chǎng)合，如煉油中加氫精制裝置的U形管式換熱器[2-5]。

圖1 管箱法蘭與殼體法蘭經(jīng)緊固件夾持管板的Ω環(huán)密封結(jié)構(gòu)

這臺(tái)Ω環(huán)焊接密封U形管式換熱器（簡(jiǎn)稱E01C），材料為15CrMo（在管箱或殼體法蘭密封面、管板密封面及凸臺(tái)側(cè)面堆焊E347L，Ω環(huán)與法蘭或管板的堆焊層填角焊，見(jiàn)圖1），而Ω環(huán)材料則為316L，技術(shù)特性見(jiàn)表1。2006年設(shè)計(jì)并制造，2007年初使用。2013年8月在裝置停工檢修時(shí)發(fā)現(xiàn)，管束腐蝕較為嚴(yán)重，管板隔板槽上部的管程進(jìn)口處有約1/5面積腐蝕厚度2～3mm，做補(bǔ)焊處理，然后仍用原Ω環(huán)合口組焊繼續(xù)使用。2014年11月，因管程側(cè)Ω環(huán)上半部多處漏點(diǎn)，檢修發(fā)現(xiàn)內(nèi)表面多處點(diǎn)蝕或孔蝕，整體更換管程側(cè)Ω環(huán)。2015年5月，因管程側(cè)Ω環(huán)與管板焊縫處上部泄漏，檢修時(shí)滲透檢測(cè)發(fā)現(xiàn)焊縫沿熔合線有裂紋、Ω環(huán)焊接熱影響區(qū)也有裂紋，清除裂紋后繼續(xù)組焊使用。2016年8月裝置停工檢修，因管束腐蝕泄漏在更換管束（并在管程進(jìn)口處管板的管孔邊緣焊接L形擋板，以防沖蝕）時(shí)，更換管程側(cè)Ω環(huán)。2017年10月又因管程側(cè)Ω環(huán)與管板焊縫上部沿熔合線開(kāi)裂（如圖2、圖3所示），再次更換Ω環(huán)。

表1 U形管式換熱器技術(shù)特性

圖2 Ω環(huán)與管板焊縫沿熔合線開(kāi)裂

圖3 裂紋局部放大

從檢修過(guò)程看到，E01C經(jīng)過(guò)7年多時(shí)間使用，首先是因管束腐蝕進(jìn)行管程側(cè)Ω環(huán)對(duì)接焊縫解體修理，一年后發(fā)生Ω環(huán)上半部多處腐蝕泄漏，而整體更換Ω環(huán)，更換后的Ω環(huán)使用半年多，發(fā)生與管板焊縫處上部開(kāi)裂；其次是因管束腐蝕泄漏在更換管束時(shí)，再次更換Ω環(huán)，結(jié)果使用一年后，再次發(fā)生與管板焊縫處上部開(kāi)裂，其裂紋部位與上次相同（圖2、圖3顯示裂紋形貌），并作更換Ω環(huán)處理。

2 設(shè)計(jì)選材

加氫精制裝置有3臺(tái)結(jié)構(gòu)形式一樣的換熱器，只是前兩臺(tái)E01AB殼體材料為2.25Cr-1Mo＋堆焊347L，而管束的管板與換熱管為321，Ω環(huán)材料也為316L。從加氫精制流程看到：原料油經(jīng)3臺(tái)換熱器E01CBA殼程逐次預(yù)熱后進(jìn)入加熱爐F01，再經(jīng)反應(yīng)器R01的反應(yīng)物通過(guò)E01ABC管程逐級(jí)冷卻去空冷出產(chǎn)品。這3臺(tái)換熱器的管程/殼程介質(zhì)、壓力基本一樣，只是溫度E01AB較E01C偏高，施工圖設(shè)計(jì)對(duì)于臨氫和硫化氫環(huán)境[6]，E01AB選用奧氏體不銹鋼（管束為321），而E01C則選用鐵素體鋼（管束為15CrMo）。但實(shí)際使用年限E01C不如E01AB長(zhǎng)，并且E01C因管束腐蝕和Ω環(huán)泄漏而頻繁發(fā)生停工檢修（更換管束1次、更換Ω環(huán)3次），由此所造成的損失遠(yuǎn)大于選用不銹鋼管束的造價(jià)。盡管E01B于2015年發(fā)生過(guò)管箱隔板開(kāi)裂[4]和2017年因換熱管泄漏而堵26個(gè)管頭，這是由于設(shè)計(jì)沒(méi)有從工藝上避免銨鹽在換熱器中結(jié)晶或沒(méi)有從結(jié)構(gòu)上考慮銨鹽結(jié)晶在線注水溶解，由此給使用帶來(lái)困難直至造成腐蝕失效，但E01A至今使用狀態(tài)完好。所以，E01C應(yīng)根據(jù)使用工況，探討管束選用321的必要性，以避免管束腐蝕，利于Ω環(huán)的焊接性能。

3 工況分析

加氫精制是在高壓高溫和催化劑的條件下原料油加氫反應(yīng)，在脫去硫、氮、氧、飽和烯烴，提高油品質(zhì)量的同時(shí)，也產(chǎn)生了硫化氫、氨及水等腐蝕性成分，并且氨進(jìn)一步與原料油中的氯、硫化合生成氯化銨和硫氫化銨，引起銨鹽結(jié)晶（垢）而堵塞換熱管甚至造成垢下腐蝕[7-8]，尤其是高硫原油的煉化，更是加重了加氫精制裝置的高溫硫腐蝕或低溫硫腐蝕的可能性[9-10]。E01C的15CrMo管板上部較為嚴(yán)重的腐蝕減薄，正是硫腐蝕和管程進(jìn)口熱流體沖蝕共同作用的結(jié)果，由此縮短了管束的使用年限，而因腐蝕失效不得不提前更換管束。而E01B管箱隔板開(kāi)裂是因與管箱焊縫的連多硫酸應(yīng)力腐蝕失效所致[4，11]，E01B管束泄漏則是在U形管氯化銨結(jié)晶產(chǎn)生的垢下腐蝕造成[12-14]，這可以通過(guò)優(yōu)化工藝過(guò)程、完善停工檢修的腐蝕防護(hù)等措施來(lái)控制。

對(duì)于煉化裝置中不銹鋼的腐蝕，文獻(xiàn)[15]總結(jié)：隨高硫原油煉化，裝置（由設(shè)備經(jīng)管道連接而成）腐蝕凸顯，尤其是氯化物或硫化物的奧氏體不銹鋼SCC（應(yīng)力腐蝕破裂）更嚴(yán)重危及煉化裝置的HSE。煉化裝置均有可能接觸含Cl-介質(zhì)，如原油含有的氯化物（因開(kāi)采與輸送加入）、循環(huán)冷卻水中的Cl-、容器制造與檢修過(guò)程的酸洗或水壓試驗(yàn)用工業(yè)水殘留的Cl-濃縮、絕熱保溫層如珍珠巖棉等含有可溶氯化物若外包層保護(hù)不良而滲入雨水也會(huì)造成保溫層下Cl-環(huán)境等；而硫化物的SCC除了濕硫化氫環(huán)境外，更多的案例則是連多硫酸（裝置停工時(shí)設(shè)備表面的硫化鐵遇水與氧反應(yīng)生成）引起。這對(duì)敏化奧氏體不銹鋼（包括使用過(guò)程或制造過(guò)程經(jīng)歷敏化溫度范圍如焊接或冷作硬化形變馬氏體未經(jīng)固溶處理或固溶處理不完全）容易產(chǎn)生晶間腐蝕微裂紋，為SCC提供應(yīng)力集中，從而促進(jìn)氯化物或硫化物的奧氏體不銹鋼的SCC。

由此可見(jiàn)，在探討E01C管束選用321的必要性時(shí)，尚應(yīng)考慮硫化物或氯化物腐蝕的可能性，合理優(yōu)化工藝過(guò)程和停工檢修時(shí)的腐蝕防護(hù)，如提高管程出口溫度高于銨鹽結(jié)晶溫度，或在管程加設(shè)注水（控制Cl-含量）管線適時(shí)化解銨鹽結(jié)晶，避免因間歇停工注水開(kāi)啟管箱進(jìn)口時(shí)空氣的進(jìn)入而產(chǎn)生連多硫酸。另外，對(duì)管箱的鐵素體鋼應(yīng)采取電偶腐蝕保護(hù)。

4 修理改進(jìn)

上面從使用材料的耐蝕性和使用工況的腐蝕性對(duì)加氫精制用換熱器選材進(jìn)行了分析，由于沒(méi)有換熱器檢修時(shí)留存的照片等相關(guān)腐蝕見(jiàn)證及相應(yīng)的金相理化分析，只能從加氫精制裝置腐蝕與防護(hù)的文獻(xiàn)中參考相關(guān)案例取證，得出建議：E01C管束也應(yīng)選用與E01AB相同的奧氏體不銹鋼（管板、換熱管為321）。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，由于換熱器設(shè)計(jì)時(shí)沒(méi)有考慮銨鹽結(jié)晶及注水溶解，引起了諸如管箱隔板開(kāi)裂、U形管束換熱管銨鹽垢下腐蝕泄漏，直至管程側(cè)Ω環(huán)泄漏。下面從焊接性對(duì)Ω環(huán)與管板焊縫開(kāi)裂進(jìn)行探討。

施工圖設(shè)計(jì)為了316L Ω環(huán)與15CrMo管板接觸（防止電偶腐蝕）及焊接，在管板的密封面及密封面與凸臺(tái)間垂直側(cè)面要求單層堆焊E347L，然后與Ω環(huán)填角焊（見(jiàn)圖4）。

由于15CrMo的焊接性[6]具有淬硬傾向?qū)淞鸭y及再熱裂紋的敏感性，通常采用焊前預(yù)熱、控制層間溫度、焊后消氫處理及消除應(yīng)力熱處理等措施控制；而316L的焊接性則由于脹縮性大具有熱裂紋的敏感性，并且由于焊接過(guò)程析出鉻的碳化物或形成σ相導(dǎo)致晶間腐蝕傾向，通常采用低碳焊材、減小焊接線能量且控制層間溫度等措施。兩者之間的焊接，在考慮兩者焊接性的同時(shí)，通常采用奧氏體型焊接材料在鐵素體表面施焊過(guò)渡層，并控制鐵素體對(duì)熔敷金屬的稀釋率，如采用坡口表面預(yù)堆邊焊、較小的焊接能量輸入等措施，文獻(xiàn)[5]修理時(shí)就是采取先用E309L焊接過(guò)渡層，然后用E347L焊接Ω環(huán)。而文獻(xiàn)[16]則在CrMo鋼管板采用雙層堆焊E309L＋E347L即管板2（見(jiàn)圖5）。

盡管文獻(xiàn)[16]也提出：如果焊接不當(dāng)，Ω環(huán)與管板間焊縫容易出現(xiàn)開(kāi)裂。但從本案例的Ω環(huán)與管板焊縫開(kāi)裂兩次的位置看，都發(fā)生在上部而不是下部，這里除了焊接因素外，還有其他更重要的因素。從結(jié)構(gòu)受力角度，管箱重力及管線推力使Ω環(huán)與管板焊縫上部產(chǎn)生拉應(yīng)力（下部為壓應(yīng)力）；而從結(jié)構(gòu)裝配看，管板端部凸臺(tái)與管箱法蘭內(nèi)壁存在1.5mm間隙，與管箱法蘭焊接的半Ω環(huán)端面開(kāi)有寬17mm深2mm的凹槽，為另半Ω環(huán)與管板的焊縫留有空間。從管箱進(jìn)口的熱流體雖不能直接沖刷Ω環(huán)與管板的焊縫，但經(jīng)過(guò)管板端部凸臺(tái)與管箱法蘭內(nèi)壁間1.5mm縫隙，流至與管箱法蘭焊接的半Ω環(huán)端面寬17mm深2mm的凹槽內(nèi)，對(duì)另半Ω環(huán)與管板的焊縫構(gòu)成沖刷。由此可見(jiàn)，Ω環(huán)與管板焊縫上部的受力狀態(tài)和介質(zhì)溫度都較下部苛刻，并且存在連多硫酸應(yīng)力腐蝕環(huán)境[4]，在外部拉應(yīng)力和焊縫殘余應(yīng)力共同作用下，加速由敏化區(qū)晶間腐蝕引發(fā)的Ω環(huán)與管板焊縫沿熔合線開(kāi)裂。

E01A使用至今沒(méi)有發(fā)生E01C的Ω環(huán)與管板焊縫上部開(kāi)裂以及管束腐蝕等問(wèn)題，得益于管束選用321，尤其是管板選用321利于Ω環(huán)的焊接，避免與CrMo異種鋼焊接易產(chǎn)生裂紋等缺陷的可能性，當(dāng)然E01A不存在連多硫酸應(yīng)力腐蝕環(huán)境。若E01C管束材料也選用321，則有益于管板與Ω環(huán)的焊接（見(jiàn)圖6），同時(shí)在使用中控制發(fā)生連多硫酸應(yīng)力腐蝕環(huán)境。

圖4 Ω環(huán)與管板1焊接

圖5 Ω環(huán)與管板2焊接

圖6 Ω環(huán)與管板3焊接

5 結(jié)束語(yǔ)

Ω環(huán)焊接密封結(jié)構(gòu)U形管式換熱器在煉化裝置加氫精制中廣泛應(yīng)用，但由于換熱器設(shè)計(jì)時(shí)沒(méi)有考慮銨鹽結(jié)晶及注水溶解，引起了使用中諸如管箱隔板開(kāi)裂、U形管束換熱管銨鹽垢下腐蝕泄漏，直至Ω環(huán)與管板焊縫應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂等問(wèn)題。對(duì)此，應(yīng)從優(yōu)化工藝流程、停工檢修時(shí)防腐措施、設(shè)計(jì)改進(jìn)等方面進(jìn)行完善，控制氯化物或硫化物的應(yīng)力腐蝕。

1）合理優(yōu)化工藝過(guò)程和停工檢修時(shí)的腐蝕防護(hù)，如提高管程出口溫度高于銨鹽結(jié)晶溫度，或在管程加設(shè)注水（控制Cl-含量）管線適時(shí)化解銨鹽結(jié)晶，避免因間歇停工注水開(kāi)啟管箱進(jìn)口時(shí)空氣的進(jìn)入而產(chǎn)生連多硫酸；

2）E01C管束選用321；

3）增加管箱底部支撐。