張 輝

(中化泉州石化有限公司設(shè)備部,福建 泉州 362103)

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蠟油加氫裝置高壓換熱器內(nèi)漏分析及處理

張 輝

(中化泉州石化有限公司設(shè)備部,福建 泉州 362103)

介紹了某公司2.1 Mt/a蠟油加氫裂化裝置高壓螺紋鎖緊環(huán)換熱器1110-E01006在投料試車催化劑預(yù)硫化階段發(fā)生的管束內(nèi)漏事故，從換熱器管箱結(jié)構(gòu)特點、工藝流程、查漏裂紋形態(tài)及特征等多方面，綜合分析了該換熱器內(nèi)漏的原因，并提出了相應(yīng)的處理措施和建議。

加氫裂化 螺紋鎖緊環(huán)換熱器 裂紋修復(fù) 應(yīng)力腐蝕開裂

1 概 述

2.1 Mt/a蠟油加氫裂化裝置是某公司煉油化工一體化項目中的一套重要裝置，該裝置于2009年6月建成投產(chǎn)。該加氫裝置7臺高壓臨氫系統(tǒng)換熱器均采用螺紋鎖緊環(huán)型式。所述換熱器位號為1110-E01006，型號為：DIU1200-11.76/14.7-395-4.75/19-2/2，B=300，是高低壓型螺紋鎖緊環(huán)換熱器，雙弓U型管，雙殼程，其管程介質(zhì)為熱高分氣，殼程為冷低分油，于2007年11月初交貨。2009年6月中旬加氫裂化裝置在投料試車催化劑預(yù)硫化過程中，根據(jù)工藝流程上下游關(guān)聯(lián)，從換熱溫度差、系統(tǒng)壓力差以及介質(zhì)混料等方面進行綜合評估和判斷，認為該換熱器出現(xiàn)了內(nèi)漏，遂停車檢查，發(fā)現(xiàn)其管板及換熱管焊縫發(fā)生大面積裂紋。該換熱器主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 1110-E01006主要技術(shù)參數(shù)

2 換熱器的結(jié)構(gòu)和特點

螺紋鎖緊環(huán)換熱器具有結(jié)構(gòu)緊湊、耐高溫高壓、泄漏點少等特點，故被許多煉油廠的高壓加氫裝置采用。其管箱用大型螺紋環(huán)承擔全部壓力，省掉了傳統(tǒng)換熱器兩個大型法蘭和相應(yīng)的一套重型螺栓、螺母，因此其體積小、結(jié)構(gòu)緊湊。另外從密封角度上講，壓緊墊片的螺栓只承受墊片壓緊力，與換熱器內(nèi)壓力幾乎無關(guān)，且運行過程中出現(xiàn)小泄漏時，也不必停車，只需緊固外面的螺栓即可達到密封要求，因此其結(jié)構(gòu)是合理的，密封有保證，操作安全可靠。但是，螺紋鎖緊環(huán)式換熱器的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，內(nèi)構(gòu)件多，裝配復(fù)雜，拆裝需要借助專用工裝[1]。

2.1 管箱結(jié)構(gòu)

螺紋鎖緊環(huán)式換熱器的結(jié)構(gòu)獨到之處在于管箱部分，按照壓力不同可分為管殼程均為高壓(H-H型)和管程高壓殼程低壓(H-L型)兩種型式。H-H型螺紋鎖緊環(huán)式管箱密封結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 螺紋鎖緊環(huán)換熱器管箱的結(jié)構(gòu)

1—管板；2—殼程墊片；3—內(nèi)隔筒箱；4—填料；5—填料壓蓋；6—內(nèi)法蘭；7—分合環(huán)；8—內(nèi)法蘭螺栓；9—管程墊片；10—墊片壓板；11—外壓環(huán)；12—外圈壓緊螺栓；13—外圈頂梢；14—螺紋鎖緊環(huán)；15—管箱蓋板；16—內(nèi)圈壓緊螺栓及頂箱；17—內(nèi)壓環(huán)；18—支撐圈；19—內(nèi)套筒

2.2 管箱結(jié)構(gòu)特點

從圖1可以看出，螺紋鎖緊環(huán)換熱器采用管、殼程一體的結(jié)構(gòu)，在管箱端部通過一張帶有柔性段的密封墊片壓板將介質(zhì)與外界隔絕，螺紋鎖緊環(huán)與管箱端部通過大梯形螺紋相連。其力矩傳遞和密封形式如下[2]：

(1)管程壓力的傳遞過程。管程內(nèi)的壓力所產(chǎn)生的軸向力，由管箱蓋板通過螺紋鎖緊環(huán)的外螺紋和管箱體的內(nèi)螺紋嚙合，傳遞給管箱體。

(2)殼程壓力的傳遞過程。管板兩側(cè)壓差產(chǎn)生的軸向力，由管板通過內(nèi)隔筒箱、內(nèi)法蘭螺栓、內(nèi)法蘭、分合環(huán)傳遞給管箱體。

(3)管程密封結(jié)構(gòu)。密封結(jié)構(gòu)由管程墊片、墊片壓板、外壓環(huán)、外圈螺栓和管箱蓋板所組成。調(diào)節(jié)外圈螺栓的力矩，密封面比壓隨之改變，從而達到控制密封的目的。

(4)殼程密封結(jié)構(gòu)。殼程密封結(jié)構(gòu)由殼程墊片、管板、內(nèi)隔筒箱、內(nèi)套筒和內(nèi)法蘭螺栓所組成。調(diào)節(jié)內(nèi)法蘭螺栓，可控制密封面比壓。為使管程和殼程之間不串漏，密封墊片應(yīng)充分壓緊，要達到密封所需的壓緊力，其方法是在安裝時用內(nèi)法蘭螺栓第一次壓緊，如生產(chǎn)過程中發(fā)現(xiàn)有內(nèi)漏現(xiàn)象時上緊內(nèi)圈螺栓即可達到密封。

所要討論的1110-E01006換熱器就是高低壓(H-L型)螺紋鎖緊環(huán)換熱器，其密封基本原理與高高壓(H-H)是一致的，即由管程內(nèi)壓引起的軸向力通過管箱蓋和螺紋環(huán)而由管箱本體承受，管程的主密封是通過擰緊螺紋鎖緊環(huán)上的主密封螺栓來壓緊管箱墊片以達到密封目的[3]。

3 換熱器內(nèi)漏原因分析

3.1 工藝流程

1110-E01006換熱器是熱高分氣(管程)與冷低分油(殼程)換熱器。熱高分氣自熱高分頂部進入E01006管程與殼程的冷低分油換熱，之后再經(jīng)過換熱后經(jīng)高壓空冷器冷卻后進入冷高分；殼程的冷低分油與熱高分氣換熱后進入脫硫化氫汽提塔，進行汽提蒸餾。

2009年6月24日，加氫裂化裝置催化劑預(yù)硫化結(jié)束后，反應(yīng)系統(tǒng)恒溫保壓等待進低氮油階段，操作人員發(fā)現(xiàn)反應(yīng)系統(tǒng)壓力維持困難，新氫增壓機向系統(tǒng)補氫量明顯增多且次數(shù)較為頻繁，且脫硫化氫汽提塔頂C201氣相流量逐漸增大，塔頂氣經(jīng)采樣分析其H2S體積分數(shù)較高，甚至在10 000 μL/L以上。而此時分餾系統(tǒng)正在進行熱油運行，塔頂氣量不可能那么大，且塔頂氣中也不可能有很高的H2S含量。催化劑硫化過程中，E01006管程熱高分氣中H2S含量會比較高，于是判斷E01006管程熱高分氣向殼程冷低分油泄漏。

3.2 裂紋形態(tài)

E01006管板和管箱是焊接在一起的，管箱和殼程筒體之間使用大螺栓連接，不存在管殼程墊片內(nèi)漏的情況，因此認為是管板角焊縫有裂紋或換熱管出現(xiàn)爆管。裝置停工降壓置換合格后，拆開大螺紋及蓋板，殼程充氮試漏，發(fā)現(xiàn)在管板管頭部位存在大量裂紋(見圖2和圖3)。

圖2 換熱器管板試漏

圖3 換熱器管板裂紋

裂紋走向開始于管端,穿透角焊縫止于管板，深度為2～8 mm。上部管程有23個管口存在裂紋為76處，最長處15 mm；下部管程有55個管口存在裂紋98處，最長處達到了15 mm。

經(jīng)光譜材質(zhì)分析，換熱器管板、換熱管和角焊縫材料均與設(shè)計要求相符。但是在給管頭焊縫和管板進行硬度檢測時發(fā)現(xiàn)：管頭角焊縫硬度明顯偏高，最高有HB288，最低HB140，一般HB200～240；而管板硬度最高HB210，最低HB130，平均為HB150。

3.3 裂紋產(chǎn)生的原因

從裂紋的形態(tài)可以看出，管板焊縫裂紋呈現(xiàn)典型的應(yīng)力腐蝕開裂特征，尤其是在管頭脹管焊縫處，出現(xiàn)裂紋較多，說明此處存在較大的殘余應(yīng)力。仔細觀察發(fā)現(xiàn)絕大部分裂紋起裂于管端，穿透焊縫，向管板延伸。這說明管端殘余應(yīng)力最為集中。角焊縫開裂是在催化劑干燥之后的預(yù)硫化過程中。催化劑干燥過程中會產(chǎn)生水分，而該換熱器又恰好處于工藝流程中的低點，因此在其管程或多或少存有積水;在催化劑預(yù)硫化過程中又生成大量的H2S，H2S與液態(tài)水結(jié)合，產(chǎn)生濕H2S腐蝕。高溫、濕H2S對換熱器管束1Cr5Mo造成開裂，而管端焊縫處應(yīng)力最為集中，所以在管頭焊縫處最容易出現(xiàn)應(yīng)力腐蝕開裂裂紋。而這些因素可能是在設(shè)備生產(chǎn)制造、運輸安裝或在開工試車過程中產(chǎn)生的。

在設(shè)備制造和熱處理過程中，有多種殘余應(yīng)力來源:

(1)焊接殘余應(yīng)力。管板+換熱管的特殊結(jié)構(gòu)(多管孔、薄焊縫+230 mm厚管板+3 mm厚管壁)，且焊縫主要集中在偏向焊接面的僅3 mm深度的管板端面上，焊接殘余應(yīng)力極大、這種應(yīng)力水平遠遠大于大直徑的工藝管道焊縫殘余應(yīng)力，因而在同等條件下，往往管板+1Cr5Mo換熱管接頭較1Cr5Mo工藝管線容易出現(xiàn)應(yīng)力腐蝕開裂。

(2)消應(yīng)力后殘留應(yīng)力。資料顯示，一般情況下，焊接殘余應(yīng)力在消除應(yīng)力熱處理后至少還會殘留40%以上，鑒于該換熱器管箱結(jié)構(gòu)的特殊性,導(dǎo)致的熱處理難度大，熱處理后殘留應(yīng)力水平會高于殘余應(yīng)力的40%。

(3)管頭脹接應(yīng)力。1Cr5Mo管材對殘余應(yīng)力十分敏感，在腐蝕介質(zhì)共同作用下開裂傾向很大。1Cr5Mo換熱管與14Cr1Mo管板焊接都需要嚴格執(zhí)行的預(yù)熱、層間溫度控制和熱處理制度。在管板和管箱筒體焊接前，必須將管箱和管板預(yù)熱到150 ℃并保持恒溫焊接。但考慮到換熱器結(jié)構(gòu)的特殊性，在焊接過程中一般很難達到規(guī)定預(yù)熱溫度。另外，焊接后的熱處理也很重要,但由于換熱器管箱和管板較厚，熱處理過程中很難達到溫度均勻和恒定，殘余應(yīng)力無法完全消除，這也給以后的開裂埋下了隱患。

3.4 裂紋修復(fù)

管束泄漏后，該換熱器制造廠和設(shè)計院專家共同討論制訂出了一套修復(fù)方案：先對管板進行消除應(yīng)力熱處理，后測硬度，再打磨掉裂紋、用鎳基焊材ERNiCrFe-3補焊，最后進行焊后消除應(yīng)力處理。根據(jù)此方案，管板焊縫修復(fù)前必須先進行管板消除應(yīng)力熱處理,此過程中嚴格控制熱處理溫度和時間。熱處理后進行滲透檢測，發(fā)現(xiàn)管板裂紋出現(xiàn)大范圍擴展，管板上半部分裂紋最大延伸貫通4個管孔，約200 mm長；管板下半部分距邊緣150 mm圓弧貫通半周，約1 m長。其他部位也存在不同程度的擴展(見圖4)。

圖4 熱處理前后管板裂紋對比

從圖4可以看出，補焊前的消應(yīng)力熱處理，還導(dǎo)致裂紋向長度、深度兩個方向擴展，使得大量裂紋埋藏于管板中難以徹底清除。在實際生產(chǎn)中E01006管板兩側(cè)承受的壓差大于10 MPa，修復(fù)后換熱器在使用過程中存在巨大的安全隱患，因此放棄這種修復(fù)方案。

4 解決方案

發(fā)現(xiàn)內(nèi)漏的換熱器已經(jīng)無修復(fù)價值，停止該設(shè)備的修復(fù),訂購新的換熱器。

新?lián)Q熱器對換熱管束材質(zhì)采用1.25Cr0.5Mo代替1Cr5Mo。2009年12月底試壓合格出廠，2010年1月中旬加氫裂化裝置停工安裝投用，使用7年該高壓換熱器使用正常無泄漏。

5 結(jié)束語

高溫和濕H2S對1Cr5Mo管束開裂尤其是管頭焊縫及高溫和濕H2S容易造成1Cr5Mo管束焊縫及管板脹接處應(yīng)力集中并開裂。應(yīng)盡量消除殘余應(yīng)力和降低腐蝕性介質(zhì)含量。

高低壓型螺紋鎖緊環(huán)換熱器結(jié)構(gòu)的特殊性決定了其有較高的殘余應(yīng)力，1Cr5Mo在苛刻的結(jié)構(gòu)條件、較大應(yīng)力水平、較強腐蝕介質(zhì)條件下開裂的風險很大。因此，1Cr5Mo不適合在這種條件下使用。

[1] 余勇，張凱，王迎君.螺紋鎖緊環(huán)換熱器的制造工藝[J].電焊機，2004，34(5)：12-13

[2] 蘇國柱.螺紋鎖緊環(huán)換熱器檢修存在問題及對策[J].壓力容器,2002，20(1)：48-49.

[3] 趙萍.螺紋鎖緊環(huán)換熱器結(jié)構(gòu)特點及受力分析[J].煉油設(shè)計，2002，32(10)：21-22.

(編輯 王菁輝)

Analysis and Treatment of Internal Leakage of High Pressure Heat Exchanger in VGO Hydrogenation Unit

ZhangHui

(EquipmentDepartmentofSinoChemQuanzhouPetrochemicalCo.,Ltd.,Quanzhou362103,China)

Internal leakage of a tube bundle occurred in the stage of catalyst prevulcanization. The tube bundle was located in 1110-E01006 heat exchanger of 2.1 Mt/a VGO hydrocracking unit. Comprehensive analysis of the internal accident was made in several aspects, such as structural characteristics of heat exchanger, process and cracking, and then corresponding measures and suggestions were offered accordingly.

hydrocracking, thread locking ring heat exchanger,crack reeovery,stress corrosicn cracking

2017-02-28；修改稿收到日期：2017-03-23。

張輝，工程師，本科，現(xiàn)在該公司任設(shè)備部主管。E-mail:zhanghui8212@126.com