高溫高壓臨氫換熱器腐蝕原因與修復

王道全

摘要：本文通過分析這種臨氫換熱器在高溫高壓下腐蝕的原因，全面介紹了關(guān)于在腐蝕設(shè)備現(xiàn)場所能采用的修復方法，涉及的關(guān)鍵修復工藝包括安全防護與施焊操作包括腐蝕表面加工、預熱、檢驗及焊后熱處理。其中堆焊層材料采用ER309LSi不銹鋼可以一定程度上有效減輕高溫氫-硫化氫環(huán)境對換熱器的腐蝕。

關(guān)鍵詞：臨氫設(shè)備；高溫高壓；修復；腐蝕分析

某工廠采用日本制造的BBS規(guī)范標準的立式U型管式換熱器，在加入加氫裂化裝置反應(yīng)流出/反應(yīng)進料后物換熱器EA101A/B產(chǎn)生腐蝕和損壞。此換熱器與反應(yīng)器的位置比較接近，反應(yīng)腐蝕的側(cè)面與反應(yīng)器處于相近的腐蝕環(huán)境，都具備較高的溫度和操作壓力，腐蝕環(huán)境屬于反應(yīng)介質(zhì)臨氫的硫化氫。在兩年里設(shè)備運行基本正常，兩年后換熱器A和B兩管的周圍殼體及板殼體側(cè)都已經(jīng)出現(xiàn)不同程度的腐蝕，其中A管腐蝕嚴重，B管輕微腐蝕，A管最大腐蝕深度達12毫米。本文先分析了腐蝕原因，并總結(jié)了現(xiàn)場修復補焊的方法。

一、關(guān)于高溫高壓臨氫換熱器腐蝕原因

（一）關(guān)于換熱器的介紹和腐蝕表現(xiàn)

換熱器主要是用來收集高溫高壓下加氫反應(yīng)催化條件產(chǎn)生的熱量，同時將原料氣加熱。當高溫裂解氣達到295～300℃，在壓力達到十四MPa時，可以與280～285℃原料氣交換熱量。這種高溫臨氫硫化氫腐蝕條件促使殼程、換熱器管遭到腐蝕。由2.25Cr1Mo的鍛件作為母材材質(zhì)的管箱，內(nèi)襯表層是309L、底層是308L的堆焊層，下封頭和殼體和管箱使用一樣的材質(zhì)，只是沒有配備不銹鋼堆焊層。在年檢中發(fā)現(xiàn)換熱器A和B兩管都出現(xiàn)了腐蝕，A管腐蝕比較嚴重，殼體下部延伸出500mm的墊片底部發(fā)生較深層次的腐蝕，最淺的腐蝕處達12毫米，如果腐蝕速率繼續(xù)大于3mm/a，墊片底部腐蝕厚度達到16.5mm時，會出現(xiàn)殼體塌陷的結(jié)果。

（二）分析腐蝕原因

形成腐蝕的原因主要有兩個，一是高溫硫化物本身在富氫環(huán)境中腐蝕性較為復雜，氫可以破壞硫化氫保護膜不斷進入硫化物腐蝕層，加速金屬腐蝕。H2S濃度和高溫時硫化氫是影響腐蝕速率的主要因素，通過研究數(shù)據(jù)顯示當溫度超過316℃時硫化氫的腐蝕便可以加劇。二是換熱器容易被腐蝕區(qū)域本身作為氣體滯留區(qū)域，沒有很好的導熱功能，溫度下降比較慢，這種情況下H2S大量滯留增加濃度的同時也會加大腐蝕性。

二、關(guān)于腐蝕后換熱器的修復方法

（一）換熱器表面修復

經(jīng)過機械鍛造加工后的換熱器殼體某種程度上存在一定誤差，橢圓度在半自動焊接的情況下不是百分之百能夠保證做到。殼體表面附一層一至兩毫米厚的硫化鐵顆粒物，這種物質(zhì)是腐蝕帶來的產(chǎn)物，需要現(xiàn)場機械去除。去除表層覆蓋物大概三毫米厚便可防止修復過程中出現(xiàn)氣孔和裂紋。另外采取干燥、清潔、去潤滑油措施保持表面干凈，可以提高修補質(zhì)量。

（二）規(guī)定溫度預熱

由于換熱器底部墊片是2.25Cr1Mo材質(zhì)，壁厚大概是300毫米，高溫預熱的補焊方法是可行的。二百攝氏度時高溫預熱的溫度臨界點，預熱溫度達到要求時進行補焊，焊后熱處理一定要在焊接完成并且客體溫度降回環(huán)境溫度之前完成。手動控制預熱溫度可以保證操作人員的安全，將電偶溫度計放入殼體內(nèi)進行溫度監(jiān)測，每當加熱至預熱溫度時可以停止加熱關(guān)閉電源，操作人員可以再次進入容器進行補焊，當溫度低于預熱溫度時再進行手動加熱，這樣直至補焊工作完成。

（三）補焊的防護措施和操作方法

1、操作方法

施焊可以采用分區(qū)分層操作，第一層施焊操作區(qū)域是長一千二百五十毫米，高五百毫米的圓周區(qū)域，在特制的沿環(huán)自動焊接裝置上安裝焊槍，第一區(qū)域施焊完成后焊槍自動返回原始位置，在絕緣箱完成一百二十度旋轉(zhuǎn)后，開始采用與之前相同的操作，注意不同焊區(qū)之間的光滑過度。圓周補焊完成后升至腐蝕較嚴重的頂部，完成墊片下二百毫米區(qū)域的補焊工作，墊片下共完成第二層和第三層補焊，并且注意光滑過度。

2、防護措施

整個補焊工作需要在高溫二百攝氏度的換熱箱內(nèi)完成，十分危險并且由觸電可能。采用可以升降的特制絕緣箱能夠隨時把操作箱升到容器外面，為操作者提供足夠的箱內(nèi)空間，這樣大大減少了觸電風險。另外在容器外設(shè)有外保溫箱，在保溫箱的底部利用環(huán)形通風管將涼風吹入容器，確保操作人員始終處于降溫的環(huán)境。并且安裝氧氣和溫度檢測系統(tǒng)在容器外密切監(jiān)視容器內(nèi)情況，確保容器內(nèi)人員人身安全。

（四）正確操作焊后熱處理

695℃是理論熱處理溫度，20℃也是理論熱速率，但是在殼體五十毫米至三百毫米的漸變厚度作用下，可以允許熱處理存在二十度左右溫差。熱處理后要持續(xù)六個小時的保溫，然后以20℃/h的速率進行冷卻，當溫度降至四百度時，開始自然冷卻。

（五）焊接后的檢驗注意事項

這種由試驗程序設(shè)定工藝參數(shù)的半自動焊接，出現(xiàn)焊接缺陷的概率小之又小。另外馬氏體轉(zhuǎn)變的可能性在二百攝氏度的高溫預熱操作下也變得很小，因此這種焊接操作基本不可能產(chǎn)生裂縫。這樣只有表面裂紋和針孔是可能出現(xiàn)在補焊層的缺陷類型，由于焊接表面大約一點五毫米以下的焊接傷用超聲波偵探難以發(fā)現(xiàn)，因此可以另外采用滲透式方法進行檢驗，清洗補焊殼體表面是檢驗前的必備程序，只有在檢驗過程中沒有發(fā)現(xiàn)任何瑕疵和缺陷，焊接質(zhì)量才能夠算做合格。

結(jié)語：

總之，只有采取先進的工藝和補焊方法，配合得當?shù)陌踩雷o措施才能夠成功完成補焊修復工作。焊接完成一年后一定要進行定期檢修，把腐蝕速率和腐蝕程度均控制在合理范圍內(nèi)，這樣才能保證修復過的換熱器設(shè)備良好運轉(zhuǎn)。本次的焊接和修復工作為高溫高壓臨氫換熱器的修復積累了經(jīng)驗。

參考文獻：

[1]米杰.高溫、高壓、臨氫設(shè)備設(shè)計分析[J].化工設(shè)備與管道， 2006，（6）.

[2]王榮貴，汪渝.高溫氫和硫化氫混合氣體對設(shè)備的腐蝕及防護[J].化肥設(shè)計，2005，（1）.

[3]中國機械工程學會焊接學會. 焊接手冊（第三版）[M].北京：機械工業(yè)出版社2008.

[4]國際焊接學會. The WRC-1992 Diagram[J]. Svetsaren，1993， 47 （2）.