加氫換熱器典型失效行為分析及其應對措施*

高曉斐 錢 峰 錢錦遠 費 揚 金志江

(1.浙江大學化工機械研究所；2.浙江玉泉環境工程有限公司)

加氫換熱器典型失效行為分析及其應對措施*

高曉斐**1錢 峰2錢錦遠1費 揚1金志江1

(1.浙江大學化工機械研究所；2.浙江玉泉環境工程有限公司)

基于加氫換熱器典型失效行為的產生機理和表現形式，將其歸納為腐蝕破壞失效、結晶結垢失效和密封泄漏失效3類，并對其進行了實例分析，同時提出相應的應對措施。

加氫換熱器 失效行為 應對措施

換熱器是化工廠中重要的化工設備之一[1]，是使熱量從熱流體傳遞到冷流體的設備[2]。加氫換熱器是加氫裂化裝置的關鍵設備之一，主要用于原料油與反應生成油的熱量交換。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，設備材料不但要耐高溫、抗氫蝕，而且還要具有良好的綜合機械性能和回火脆性[3]。此外，由于設備內部介質屬于易燃、易爆物質，設備一旦發生泄漏，造成的損失不可估量，因此開展對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是一個典型的加氫換熱器結構簡圖，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、支撐管束和改善傳熱特性，在筒體內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構，且保溫夾套結構的使用減少了裝置與外部環境之間的熱交換[4]；固定螺釘保證了設備的密封性和耐壓性。

圖1 加氫換熱器結構簡圖

由于加氫換熱器所處工況惡劣，且介質為原油等成分復雜的流體，因此極易發生失效行為。筆者根據目前已發生的各類失效行為的產生機理和表現形式，將其歸納為腐蝕破壞失效、結晶結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]。腐蝕破壞最易發生在溫差應力較大處、有焊接殘余應力處和管路彎頭處[8]，以氫腐蝕與應力腐蝕最為常見。

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、晶界擴散進入金屬材料，并與金屬中的不穩定碳化物發生化學反應生成甲烷氣體；隨著氣泡數量的增加，其在晶間空穴和非金屬夾雜處聚集，導致局部壓力升高、應力集中，進而使晶界變寬，形成裂紋，并造成鋼強度和韌性下降。

應力腐蝕是指金屬材料在靜拉應力和腐蝕介質共同作用下，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，進一步腐蝕已破壞的表面；同時，在拉應力的作用下，破壞處逐漸形成裂紋，并隨時間逐漸擴展直到斷裂。應力腐蝕不僅可以沿金屬晶粒邊界發展，還能穿過晶粒發展。加氫換熱器在濕硫化氫環境和焊接殘余應力的共同作用下，很容易發生應力腐蝕[9]。

1.2結晶結垢失效

由于處于成分極其復雜的流體介質作用下，加氫換熱器在實際工況下極易發生結晶結垢失效，其主要類型有化學反應結垢、類析晶結垢、粒結垢、生物結垢及凝同結垢等[10]，其中以化學反應結垢最為常見。

加氫換熱器內的化學反應結垢通常是指介質中的硫化物、氮化物與加氫裂化過程中產生的氯化氫反應生成的氯化銨在溫度較低時結晶并附著在換熱管管壁上而產生的失效行為。該類失效會降低換熱器的傳熱系數、增大系統壓降[11～13]，進而使系統能耗增加，嚴重時還會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。密封結構設計是加氫換熱器結構設計中最重要的環節之一。通常情況下，其密封泄漏破壞可分為內泄漏和外泄漏兩類，以內泄漏最為常見。

內泄漏主要是指由于腐蝕或焊接質量問題等原因，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]。內泄漏發生在換熱器內部，不易被檢測到，造成的影響也較大。此外，螺栓預緊力不夠、溫度與壓力突然變化形成交變載荷也會引起加氫換熱器密封泄漏失效。

2 腐蝕破壞的應對措施

2.1氫腐蝕破壞典型案例分析

自二十一世紀以來，甘肅省以提高種子質量檢驗人員素質作為重點，舉辦技術培訓班數次，累計培訓相關骨干兩千人左右。極大程度地充實了檢驗人員團隊，當頒布農作物種子檢驗考核制度后，甘肅省大約有兩百人左右，獲得檢驗員資格證書，大約有九百人左右獲得種子質量檢驗人員證書。同時針對馬鈴薯脫毒檢測的特殊性，實行有效的結合方式，重點培訓田間檢驗和室內病毒檢測等，從而快速掌握技術要求和檢測措施，讓全省種子檢測人員的能力和水平得到提升。

某石化公司加氫換熱器的運行工況如下：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]。設備投入運行兩年后，發現管板殼體側和周圍殼體上均出現腐蝕[5]。腐蝕主要發生在墊片的底部區域(圖2)，其中墊片底座下局部腐蝕最為嚴重，腐蝕坑最深處達12mm，隨著向下距離的增加，腐蝕厚度逐漸減小。

圖2 典型換熱器腐蝕結構示意圖

通過分析發現，加氫換熱器靠近反應器，其入口段介質和狀態與反應器基本相同，操作壓力大、溫度高，且介質中含有硫化氫，是典型的臨氫環境。由于在富氫環境中，氫作為間隙型原子不斷地侵入設備的硫化物腐蝕層，造成腐蝕層疏松多孔，破壞了硫化氫腐蝕膜的保護作用，使金屬原子和硫化氫介質相互擴散滲透，對底座等結構進行腐蝕[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散度低，可阻礙氫的活動，并可明顯降低合金中的氫分壓。通過對裝置進行現場補焊修復，補焊前進行表面處理和預熱，補焊后進行焊后熱處理和焊后檢測，修復后設備運行正常。

2.2應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。停機一段時間后，在400℃下運行48h，發現換熱管在彎曲處產生裂紋[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，對其進行電子光學技術和X射線衍射分析，發現裂紋是由連多硫酸引發的應力腐蝕產生的。由于硫化氫的存在，管子內表面有一層含硫覆蓋層，與停機時產生的凝結水反應形成了連多硫酸；而U形管通過冷彎加工，造成的位錯在一定界面上大量聚集，存在較大的殘余應力[19]。殘余應力和錯位面的連多硫酸共同作用引發了應力腐蝕裂紋的產生[20]。

為防止這類失效的再次發生，需將介質中的硫除去[21]。可以通過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生。此外，利用熱處理消除焊接與冷加工的殘余應力、進行穩定化和固溶處理以及采用超低碳不銹鋼等亦可防止應力腐蝕的產生。

3 結晶結垢破壞的應對措施

3.1氯化物結垢典型案例分析

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臺不銹鋼反應器流出物的換熱器用做精制反應流出物/混合進料換熱器。該換熱器為非標U形管換熱器，管束材料為SUS321，殼程和封頭內壁材料為SUS347[15]。使用不到一個月，該組換熱器的換熱效率就出現嚴重不足，僅為原有設計值的40%。

為探究換熱效率驟降原因，對換熱器進行了現場檢查，發現管內沒有結垢，管外壁有大量黑褐色粉末狀物質，并有大量黑色垢狀物質牢固地附著在管束表面。經對管束外表面的垢物進行成分分析，發現其為FeSO4及FeCl3等。通過對換熱管表面進行水沖洗、化學清洗及鈍化等清洗操作[15]，運行一個月后進行標定，換熱效率達到設計值的80%，裝置運行得到明顯改善。

為防止此類失效的發生，通常可采用機械清洗、化學清洗及超聲波除垢等方法[10]。機械清洗一般采用噴射清洗和管內插入物清洗，其優點是操作方便，但清洗時需拆卸設備，且易造成機械損傷；化學清洗可避免這一缺點，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，目前已被應用在石油化工等很多行業，但這項技術還未發展成熟[10]。此外，定期檢查與維修對于解決加氫換熱器的結垢問題、提高其換熱效率和工作壽命都具有很大作用。

3.2銨鹽結垢典型案例分析

某石化公司建成投產一套催化重整裝置，重整裝置預加氫進料換熱器管程操作壓力設計值為2.2～2.8MPa，管程操作溫度為300～390℃[8]。然而在運行過程中，設備中的加氫換熱多次發生管程堵塞故障，嚴重影響裝置的正常生產。

通過分析發現，重整原料中的硫、氮及氯等元素在預加氫反應中生成鹽酸、硫化氫及氨氣等，三者反應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℃時會升華，遇少量的水又易結晶，換熱管端部、換熱管內及管板等流體速度低的地方沉積，進而堵塞換熱管。

由于硫化銨和氯化銨極易溶于水，通常可以采用注水的方法來去除[8]。此外，減緩加氫換熱設備內高溫結垢的措施還有：加快原油介質流動；設備內使用翅片及折流板等插件，以增強對污垢的沖刷作用；使用阻垢劑等[22]。

4 密封泄漏破壞的應對措施

某煉化公司的加氫裂化裝置的換熱器采用繞管式換熱器。某次巡檢中發現設備殼程放空口接管處存在泄漏，因此將裝置進行停工處理。經檢查發現，泄漏點位于放空管與上封頭之間的角焊縫靠近封頭母材側的熔合線上[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構示意圖

通過查閱工況記錄發現，設備在前日下午4點時，受系統電網停電影響，經歷了一次緊急降溫、降壓過程。反應器在6個小時內壓力從14.15MPa降至3.77MPa，溫度從383℃降至280℃[23]。正常停工時，設備由于要經過較長時間緩慢泄壓、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；而在設備緊急泄壓、降溫的情況下，焊縫間隙中氫分壓引起的拉應力和不同金屬材料因溫度變化引起的熱應力會導致焊縫開裂，并最終導致設備泄漏[4,24]。若在本裝置結構中設置信號孔，滲透的氫原子可變成氫氣跑掉，減少拉應力的產生，從而避免泄漏行為的發生。

避免密封泄漏的發生，需要注意各個焊縫質量，同時還需加強對工況的控制，尤其是溫度和壓力的突然變化。

5 結束語

為減少加氫換熱器的腐蝕失效，一方面應從選材上著手，根據工藝需要選取合適的材料，如可以盡量選取奧氏體不銹鋼；另一方面應從加工工藝質量上著手，特別是焊接技術需要嚴格把關，盡量消除殘余應力。另外，應降低加氫換熱器原料中的氯含量，以減緩腐蝕速度。對于易結垢設備，可設置兩臺設備，定期輪換停工進行水沖洗或化學清洗，在運行時也可以使用阻垢劑等。當然，設備在運行時的定期檢測和維修，也是減小突發事故發生的重要措施。為減小加氫換熱器的密封泄漏問題，結構設計時在確保安全的前提下，盡量減輕設備重量、減少設備主螺栓尺寸、降低設法蘭尺寸與重量及優先選用Ω環密封結構等。隨著石油深加工產業的進一步發展，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應用技術將得到重視與發展。

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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

*浙江省科技計劃重大專項項目(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)