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編 輯 | 化工活動(dòng)家

來 源 | 石油化工設(shè)備技術(shù)、沈陽中科韋爾

作 者 | 劉殿如等

關(guān)鍵詞 | 加氫裝置  高壓換熱器  開裂

共 3359 字 | 建議閱讀時(shí)間 15 分鐘

導(dǎo) 讀

某煉油廠加氫裂化裝置原料油主要是常減壓直餾蠟油，可以摻煉部分焦化蠟油抽余油和外購蠟油。氫氣由制氫裝置及氫氣提純裝置提供。

2018年7月17日，因脫丁烷塔安全閥啟跳，無法復(fù)位，且脫丁烷塔頂干氣含氫氣78%，因此確認(rèn)高壓換熱器出現(xiàn)內(nèi)漏，裝置開始停工檢修。經(jīng)打壓試漏發(fā)現(xiàn)，高壓換熱器反應(yīng)餾出物/低分油換熱器（E106A）管束出現(xiàn)泄漏。

工藝概況

高壓換熱器E101、E102、E103、E104A/B、E105、E106A/B串聯(lián)連接，反應(yīng)產(chǎn)物自E106A上半管程流入，流入溫度為230℃，從E106B下半管程流出，流出溫度為160℃。殼程為低分油，逆向進(jìn)行換熱，E106B殼程進(jìn)口溫度為50℃，E106A殼程出口溫度為198℃。換熱網(wǎng)絡(luò)見圖1。

E106A管程操作壓力為16.41MPa，殼程操作壓力為1.90MPa，操作壓差為14.51MPa。

為防止高壓換熱器銨鹽析出，在E105（反應(yīng)流出物/循環(huán)氫換熱器）前、E106前、A101（空氣冷卻器）前設(shè)置注水點(diǎn)，當(dāng)反應(yīng)產(chǎn)物流經(jīng)換熱器后換熱效率下降或者壓降過大時(shí)，通過采用E106A前臨時(shí)注水的方式對析出的NH4Cl進(jìn)行沖洗，緩解壓降并改善換熱效率。注水方式均采用一股水直接注入系統(tǒng)的方式。

E106A為U形管式換熱器，雙管程、單殼程。其殼體材質(zhì)為15CrMo（H）/Q345R；管束材質(zhì)為0Cr18Ni10Ti，規(guī)格為6000mm×19mm×2mm（換熱管長度×直徑×壁厚）。

檢驗(yàn)分析

1

內(nèi)窺鏡檢驗(yàn)

采用內(nèi)窺鏡對管束出現(xiàn)內(nèi)漏的E106A內(nèi)部進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)該管子距管板6.2ｍ處內(nèi)彎部位斷裂（正處于U形彎部位），見圖2。

觀察換熱管斷口，未發(fā)現(xiàn)管壁厚顯著減薄，其中一側(cè)斷面較為規(guī)則，大致與換熱管軸向呈一定夾角，近似垂直。

2

垢樣分析

打開換熱器發(fā)現(xiàn)，管口和管束內(nèi)部附著白色結(jié)晶物。采用XRD和能譜對結(jié)晶物成分和各元素含量進(jìn)行分析，圖3和表1為能譜分析結(jié)果。由圖3和表1可見，結(jié)晶物主要含有C、O、S、Cl，還含有少量的Fe和Cr。

在能譜分析確定好相應(yīng)的元素含量后，采用XRD衍射分析來確定具體的物質(zhì)構(gòu)成，結(jié)果如圖4所示。

與標(biāo)準(zhǔn)譜圖對比分析發(fā)現(xiàn)，白色結(jié)晶物主要為NH4Cl。

3

換熱管的材質(zhì)分析

將換熱器更換下來，從斷裂的換熱器管子上切取塊狀樣品，并依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，使用光譜儀對其材質(zhì)進(jìn)行化學(xué)分析。結(jié)果表明：斷裂管子材質(zhì)為0Cr18Ni10Ti，其化學(xué)成分滿足GB/T20878-2007《不銹鋼和耐熱鋼牌號及化學(xué)成分》要求，各元素含量未見有超標(biāo)現(xiàn)象（見表2）。

4

換熱管的金相分析

在斷裂的換熱器管子斷口附近切取金相樣品，經(jīng)預(yù)磨、拋光、腐刻后，在顯微鏡下進(jìn)行觀察分析，并使用顯微硬度計(jì)，進(jìn)行硬度測試。圖5所示為換熱管縱向金相組織。

由圖5可見，金相組織為奧氏體，裂紋源在換熱管內(nèi)壁，裂紋呈現(xiàn)樹枝狀，既有主干又有分支，屬于穿晶型腐蝕裂紋，具有典型的應(yīng)力腐蝕開裂特征。樣口顯微硬度分別為

 

轉(zhuǎn)換成HB為183.7、192.6、212.0。一般情況下，0Cr18Ni10Ti不銹鋼管冷加工固溶處理后，硬度應(yīng)小于HB185。由上述測試結(jié)果可見，該換熱器硬度不均，且局部硬度偏高。

5

換熱管的電鏡分析

在斷口上切取樣品，采用掃描電鏡進(jìn)行觀察（見圖6）。

微觀斷口可觀察到大量的河流狀花樣、魚骨狀花樣以及撕裂棱，且有可見的二次裂紋，這是管子中殘余應(yīng)力導(dǎo)致的。

原因分析

（1）由于加工原料變化較大，而未對結(jié)鹽溫度進(jìn)行核算，導(dǎo)致高壓換熱器E106A出現(xiàn)結(jié)鹽加重現(xiàn)象。通過采取E106A前臨時(shí)注水的方式對銨鹽進(jìn)行沖洗，但因注水系統(tǒng)流量的限制，使得注水量不足，導(dǎo)致NH4Cl不能全部被沖洗掉。殘留的NH4Cl吸收水分形成水溶液，并水解形成酸性Cl-腐蝕環(huán)境，其pH越低，奧氏體不銹鋼對Cl-應(yīng)力腐蝕敏感性越強(qiáng)。

 

（2）奧氏體不銹鋼材質(zhì)換熱管的U形彎處，存在較大殘余應(yīng)力，管束內(nèi)彎與反應(yīng)產(chǎn)物接觸的管子內(nèi)壁為拉應(yīng)力集中區(qū)域，且管內(nèi)外壓力差比較大，為14.51MPa。殘余應(yīng)力和外加載荷是誘導(dǎo)應(yīng)力腐蝕開裂的力學(xué)條件。同時(shí)在酸性環(huán)境和Cl-腐蝕的共同作用下，管子逐漸產(chǎn)生腐蝕裂紋源并擴(kuò)展，導(dǎo)致強(qiáng)度減弱。在管內(nèi)外壓差作用下，造成奧氏體不銹鋼0Cr18Ni10Ti換熱器Cl-應(yīng)力腐蝕開裂并最終導(dǎo)致爆管。

建議措施

1

加強(qiáng)原料控制

（1）建立加氫裂化裝置原料油總Cl分析平臺，包括分析設(shè)備和方法。加強(qiáng)原料總Cl分析監(jiān)測，健全高低壓分離器脫除水分析項(xiàng)目，加強(qiáng)對重整氫的HCl含量分析。

 

（2）根據(jù)原料中Cl、N含量的分析數(shù)據(jù)，對原料進(jìn)行適當(dāng)摻煉，確保Cl、N含量不超出裝置設(shè)防值。

 

（3）提升連續(xù)重整裝置重整氫脫Cl效果，可有效降低包括加氫裂化在內(nèi)的所有使用重整氫裝置的Cl腐蝕和結(jié)鹽風(fēng)險(xiǎn)。

2

優(yōu)化工藝控制措施

（1）對運(yùn)行狀況進(jìn)行監(jiān)測，及時(shí)調(diào)整注水。發(fā)現(xiàn)壓降較大時(shí)，及進(jìn)在E106A前進(jìn)行注水，對析出的氯化銨鹽進(jìn)行沖洗，緩解NH4Cl對管束的堵塞和腐蝕。

 

（2）對工藝注水設(shè)施進(jìn)行優(yōu)化。對E106A注水系統(tǒng)進(jìn)行核算，確保能夠提供足夠的注水量，并保證注水量的25%為液態(tài)水；在注水點(diǎn)后果安裝混合器，確保注水的水能夠均勻混合。注水時(shí)應(yīng)采用專用注水噴頭，避免對主管線造成沖刷腐蝕，使管線局部腐蝕減薄。

 

（3）對結(jié)鹽溫度進(jìn)行計(jì)算與控制。根據(jù)原料中Cl和N的含量對結(jié)鹽溫度進(jìn)行及時(shí)核算，并把結(jié)鹽溫度接入DCS，控制換熱器出口溫度高于結(jié)鹽溫度15℃以上，避免該換熱器發(fā)生結(jié)鹽。

3

合理選材

根據(jù)SH/T3096-2012《高硫原油加工裝置設(shè)備和管道設(shè)計(jì)選材導(dǎo)則》，建議將管束材質(zhì)升級為825合金或者15CrMo，避免出現(xiàn)奧氏體不銹鋼應(yīng)力腐蝕開裂現(xiàn)象。

4

加強(qiáng)檢驗(yàn)檢測

加強(qiáng)裝置檢修期間的設(shè)備腐蝕檢測。在裝置檢修時(shí)，應(yīng)采用內(nèi)窺鏡檢測、滲透檢測、渦流檢測等方式對高壓換熱器反應(yīng)流出物側(cè)的管板和管束內(nèi)部進(jìn)行重點(diǎn)檢測，確保腐蝕缺陷能及時(shí)被發(fā)現(xiàn)并得到有效控制。