加氫精制換熱器Ω環(huán)與管板焊縫開裂的討論

陳 罡 曾海云 劉 巖 張 光

（中國石油遼陽石油化纖公司建修公司 遼陽 111003）

某加氫精制裝置3臺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裂。對此，筆者從設(shè)計、使用、修理等方面進行分析。

1 使用概況

Ω環(huán)焊接法蘭屬于無墊片焊接密封法蘭[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，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)的密封焊來保證，雖無須墊片壓緊力（按無墊片考慮），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、介質(zhì)滲透性強，或高（低）溫引起緊固件松弛而造成泄漏的場合，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Ω環(huán)焊接密封U形管式換熱器（簡稱E01C），材料為15CrMo（在管箱或殼體法蘭密封面、管板密封面及凸臺側(cè)面堆焊E347L，Ω環(huán)與法蘭或管板的堆焊層填角焊，見圖1），而Ω環(huán)材料則為316L，技術(shù)特性見表1。2006年設(shè)計并制造，2007年初使用。2013年8月在裝置停工檢修時發(fā)現(xiàn)，管束腐蝕較為嚴(yán)重，管板隔板槽上部的管程進口處有約1/5面積腐蝕厚度2～3mm，做補焊處理，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，檢修發(fā)現(xiàn)內(nèi)表面多處點蝕或孔蝕，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，檢修時滲透檢測發(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（并在管程進口處管板的管孔邊緣焊接L形擋板，以防沖蝕）時，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裂

圖3 裂紋局部放大

從檢修過程看到，E01C經(jīng)過7年多時間使用，首先是因管束腐蝕進行管程側(cè)Ω環(huán)對接焊縫解體修理，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裂；其次是因管束腐蝕泄漏在更換管束時，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)計選材

加氫精制裝置有3臺結(jié)構(gòu)形式一樣的換熱器，只是前兩臺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臺換熱器E01CBA殼程逐次預(yù)熱后進入加熱爐F01，再經(jīng)反應(yīng)器R01的反應(yīng)物通過E01ABC管程逐級冷卻去空冷出產(chǎn)品。這3臺換熱器的管程/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)計對于臨氫和硫化氫環(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）。但實際使用年限E01C不如E01AB長，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。盡管E01B于2015年發(fā)生過管箱隔板開裂[4]和2017年因換熱管泄漏而堵26個管頭，這是由于設(shè)計沒有從工藝上避免銨鹽在換熱器中結(jié)晶或沒有從結(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，也產(chǎn)生了硫化氫、氨及水等腐蝕性成分，并且氨進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]，這可以通過優(yōu)化工藝過程、完善停工檢修的腐蝕防護等措施來控制。

對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（因開采與輸送加入）、循環(huán)冷卻水中的Cl-、容器制造與檢修過程的酸洗或水壓試驗用工業(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不良而滲入雨水也會造成保溫層下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（裝置停工時設(shè)備表面的硫化鐵遇水與氧反應(yīng)生成）引起。這對敏化奧氏體不銹鋼（包括使用過程或制造過程經(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，從而促進氯化物或硫化物的奧氏體不銹鋼的SCC。

由此可見，在探討E01C管束選用321的必要性時，尚應(yīng)考慮硫化物或氯化物腐蝕的可能性，合理優(yōu)化工藝過程和停工檢修時的腐蝕防護，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）管線適時化解銨鹽結(jié)晶，避免因間歇停工注水開啟管箱進口時空氣的進入而產(chǎn)生連多硫酸。另外，對管箱的鐵素體鋼應(yīng)采取電偶腐蝕保護。

4 修理改進

上面從使用材料的耐蝕性和使用工況的腐蝕性對加氫精制用換熱器選材進行了分析，由于沒有換熱器檢修時留存的照片等相關(guān)腐蝕見證及相應(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）。同時發(fā)現(xiàn)，由于換熱器設(shè)計時沒有考慮銨鹽結(jié)晶及注水溶解，引起了諸如管箱隔板開裂、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Ω環(huán)與管板焊縫開裂進行探討。

施工圖設(shè)計為了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間垂直側(cè)面要求單層堆焊E347L，然后與Ω環(huán)填角焊（見圖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，通常采用奧氏體型焊接材料在鐵素體表面施焊過渡層，并控制鐵素體對熔敷金屬的稀釋率，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]修理時就是采取先用E309L焊接過渡層，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)開裂。但從本案例的Ω環(huán)與管板焊縫開裂兩次的位置看，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)過管板端部凸臺與管箱法蘭內(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)，對另半Ω環(huán)與管板的焊縫構(gòu)成沖刷。由此可見，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裂。

E01A使用至今沒有發(fā)生E01C的Ω環(huán)與管板焊縫上部開裂以及管束腐蝕等問題，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（見圖6），同時在使用中控制發(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

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)計時沒有考慮銨鹽結(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)力腐蝕開裂等問題。對此，應(yīng)從優(yōu)化工藝流程、停工檢修時防腐措施、設(shè)計改進等方面進行完善，控制氯化物或硫化物的應(yīng)力腐蝕。

1）合理優(yōu)化工藝過程和停工檢修時的腐蝕防護，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）管線適時化解銨鹽結(jié)晶，避免因間歇停工注水開啟管箱進口時空氣的進入而產(chǎn)生連多硫酸；

2）E01C管束選用321；

3）增加管箱底部支撐。