硫磺水冷器管接頭泄漏分析與建議

張雅新余 剛李崇勇（.中國(guó)石油遼陽(yáng)石化公司機(jī)動(dòng)設(shè)備處 遼陽(yáng) 003）（.遼陽(yáng)石化公司機(jī)械廠 遼陽(yáng) 003）

硫磺水冷器管接頭泄漏分析與建議

張雅新1余 剛2李崇勇2
（1.中國(guó)石油遼陽(yáng)石化公司機(jī)動(dòng)設(shè)備處 遼陽(yáng) 111003）
（2.遼陽(yáng)石化公司機(jī)械廠 遼陽(yáng) 111003）

摘 要：硫磺水冷器是煉化行業(yè)凈化排空氣體的硫磺回收裝置中重要設(shè)備之一，其內(nèi)漏直接影響裝置的“安穩(wěn)長(zhǎng)滿優(yōu)”運(yùn)行。從腐蝕環(huán)境、設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)、材料選用、質(zhì)量計(jì)劃、使用管理以及定期檢驗(yàn)等方面對(duì)硫磺水冷器的管接頭泄漏進(jìn)行了分析，建議硫磺水冷器的設(shè)計(jì)應(yīng)兼顧管/殼程介質(zhì)的雙重腐蝕性，完善管端防腐結(jié)構(gòu)、制造應(yīng)保證管接頭連接的可靠性、使用管理在保證正常運(yùn)行的同時(shí)尚應(yīng)注重停工吹掃的腐蝕防護(hù)、定期檢驗(yàn)更應(yīng)關(guān)注管接頭的安全狀況等級(jí)評(píng)定。

關(guān)鍵詞：硫磺水冷器 管接頭 泄漏

一臺(tái)硫磺冷凝冷卻器（簡(jiǎn)稱硫磺水冷器），大檢修后開(kāi)工運(yùn)行2個(gè)多月發(fā)生內(nèi)漏（見(jiàn)圖1）。被迫停工搶修發(fā)現(xiàn)：管箱底部存有泥狀沉積物；管板及管接頭焊腳均有明顯腐蝕減薄，以出口端下部為嚴(yán)重；殼程水壓試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)下部8根管接頭處泄漏；修理補(bǔ)焊則產(chǎn)生多處管頭開(kāi)裂；只能將泄漏的管接頭作堵管冷焊膠+防腐涂膠（見(jiàn)圖2）處理，試壓合格后監(jiān)控使用，并立即制造備臺(tái)。

查設(shè)備檔案：這臺(tái)硫磺水冷器為臥式固定管板NQN1800-0.28/0.53-412-6.06/38-2型［1］，其技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1，于2010年制造并投用，經(jīng)過(guò)近3年使用隨裝置大檢修后繼續(xù)運(yùn)行。

圖1　管接頭泄漏

圖2　管接頭修補(bǔ)

表1　硫磺水冷器技術(shù)特性

1　腐蝕環(huán)境

硫磺水冷器除殼程的熱水蒸汽腐蝕［2-3］外，尚存在管程過(guò)程氣的下列腐蝕。

1）高溫硫化腐蝕［2-4］：碳鋼在300℃以上、不銹鋼在600℃以上易發(fā)生硫化，產(chǎn)生大量松疏的銹垢剝落，而使金屬不斷減薄。硫磺水冷器的管程過(guò)程氣進(jìn)口溫度高達(dá)350℃，而管板為Q245R，并且管箱下部的泥狀腐蝕垢物以及管板表面明顯腐蝕減薄證實(shí)了高溫硫化的存在。

2）低溫露點(diǎn)腐蝕［2，3，5］：亞硫酸和硫酸露點(diǎn)腐蝕主要發(fā)生在硫磺回收單元的過(guò)程氣管道及硫凝器中。來(lái)自脫硫單元的酸性氣在克勞斯?fàn)t內(nèi)和O2完全燃燒產(chǎn)生的SO2，SO2易溶于水，其水溶液（H2SO3）比H2S的水溶液更容易腐蝕金屬，腐蝕產(chǎn)物為FeSO3；當(dāng)系統(tǒng)中O2過(guò)剩時(shí)，過(guò)程氣中的少量SO2會(huì)被氧化成SO3，當(dāng)溫度低于露點(diǎn)時(shí)，SO3與水蒸氣結(jié)合生成稀H2SO4，稀H2SO4對(duì)設(shè)備的腐蝕更強(qiáng)于H2SO3，腐蝕產(chǎn)物為FeSO4。這種露點(diǎn)腐蝕可能發(fā)生在工藝過(guò)程氣流量偏小或殼程的熱水溫度偏低時(shí)，過(guò)程氣因溫度低于露點(diǎn)而凝結(jié)為酸液。這種現(xiàn)象在裝置停工過(guò)程吹掃處理不當(dāng)時(shí)更為明顯，尤其是檢修時(shí)直接用水或蒸汽沖洗或運(yùn)行時(shí)管接頭漏水等情況。而硫磺水冷器的換熱管選用的09CrCuSb（ND）正是耐硫酸露點(diǎn)腐蝕用鋼［6-8］。

3）濕硫化氫腐蝕［2，3，5］：H2S在有水分存在的環(huán)境中對(duì)鋼材具有很強(qiáng)的腐蝕性，是一種很強(qiáng)的滲氫介質(zhì)，H2S主要有兩類腐蝕形態(tài)。一類是電化學(xué)腐蝕過(guò)程產(chǎn)生的全面或局部腐蝕，表現(xiàn)為金屬的壁厚減薄或點(diǎn)蝕穿孔；另一類是H2S導(dǎo)致的器壁開(kāi)裂，由于陰極還原過(guò)程產(chǎn)生的H原子擴(kuò)散至鋼中，從而可能誘發(fā)氫鼓泡（HB），氫誘發(fā)裂紋（HIC），硫化物應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂（SSCC），應(yīng)力導(dǎo)向氫誘發(fā)裂紋（SOHIC）等腐蝕形態(tài)。盡管硫磺水冷器在正常的操作工況下，管程的過(guò)程氣難以形成濕H2S腐蝕環(huán)境，但在裝置停工檢修時(shí)，可能因（設(shè)備與管道）系統(tǒng)處理不當(dāng)，沒(méi)有嚴(yán)格執(zhí)行裝置停工吹掃操作規(guī)程（先用煙氣吹掃后再氮?dú)獯祾吒蓛舨⒈３指稍铮率垢g性氣體滯留并隨降溫而產(chǎn)生濕氣冷凝，或直接用水或蒸汽沖洗腐蝕垢物，造成濕硫化氫腐蝕。當(dāng)裝置開(kāi)工運(yùn)行時(shí)，管/殼溫差應(yīng)力加劇了管接頭的開(kāi)裂，導(dǎo)致殼程的水汽進(jìn)入管程，促進(jìn)露點(diǎn)腐蝕的發(fā)生，同時(shí)水汽與過(guò)程氣結(jié)合形成濕H2S腐蝕環(huán)境。

值得注意的是，殼程的熱水蒸汽對(duì)碳鋼為均勻腐蝕，而對(duì)不銹鋼則為局部腐蝕。對(duì)于奧氏體不銹鋼水冷器的腐蝕案例以Cl-的應(yīng)力腐蝕（SCC）居多，并大多發(fā)生在傳熱面上的水側(cè)。由Cl-產(chǎn)生的不銹鋼SCC相當(dāng)普遍，究其原因，一是奧氏體不銹鋼對(duì)Cl-的SCC敏感；二是Cl-不僅能破壞不銹鋼的鈍化膜產(chǎn)生孔蝕，而且尚能由孔蝕誘發(fā)SCC。這可能是硫磺水冷器原設(shè)計(jì)選用管接頭材料為管板Q245R/換熱管09CrCuSb，而不選用奧氏體不銹鋼的原因。

2　結(jié)構(gòu)材料

合理選擇硫磺水冷器的結(jié)構(gòu)型式與材料應(yīng)對(duì)管/殼程介質(zhì)的全面與局部腐蝕至關(guān)重要。這臺(tái)硫磺水冷器則采用了硫磺回收裝置中通用慣例的硫冷凝器結(jié)構(gòu)形式，較為合理，具有如下特點(diǎn)。

1）這種通用慣例的結(jié)構(gòu)形式大多為NQN型臥置固定管板式換熱器且不帶膨脹節(jié)，而材料多為碳鋼（尤其是引進(jìn)裝置）［9-10］，所不同的是它采用了撓性薄管板結(jié)構(gòu)形式，管板分別與殼體及管箱圓筒對(duì)接焊接，而換熱管與管板采用強(qiáng)度焊加貼脹。

2）介質(zhì)流程選擇合理，高溫腐蝕過(guò)程氣走管程且換熱管選用φ38mm×3mm，而冷卻水走殼程并設(shè)置了蒸發(fā)空間。

3）管/殼程的進(jìn)/出口溫度設(shè)定合理，管程過(guò)程氣的進(jìn)/出口溫度為350/170℃，而殼程冷卻水（熱水/蒸汽）的進(jìn)/出口溫度為95/148℃，即能達(dá)到硫氣冷凝冷卻為液硫，又不至于使酸性水汽低于露點(diǎn)凝結(jié)為亞硫酸或硫酸或硫化氫的腐蝕環(huán)境。

但從硫磺水冷器連續(xù)運(yùn)行近3年后經(jīng)過(guò)裝置大檢修再次開(kāi)工使用2個(gè)多月因泄漏開(kāi)箱檢修看，由于管端設(shè)計(jì)未采取高溫硫化防護(hù)防腐措施［9-10］，盡管換熱管選用了耐硫酸露點(diǎn)腐蝕用鋼09CrCuSb，可是Q245R管板及管接頭仍然受到了過(guò)程氣的高溫硫化和低溫露點(diǎn)及濕硫化氫的腐蝕以至開(kāi)裂泄漏。

3　使用管理

從設(shè)備檔案資料顯示，該設(shè)備系2010年制造并投用，經(jīng)過(guò)近3年連續(xù)運(yùn)行隨裝置大檢修后繼續(xù)使用，但在運(yùn)行2個(gè)多月發(fā)生管接頭泄漏。從這次被迫停工搶修所發(fā)現(xiàn)的狀況看，“管箱底部存有泥狀沉積物；管板及管接頭焊腳均有明顯腐蝕減薄，以出口端下部為嚴(yán)重；殼程水壓試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)下部8根管接頭處泄漏等”，使用管理值得探討。

1）硫磺水冷器只要連續(xù)運(yùn)行，并按正常工況操作，雖處于高溫硫化腐蝕，但卻很少發(fā)生露點(diǎn)和濕硫化氫腐蝕。所以，日常巡檢應(yīng)嚴(yán)格控制水冷器的工藝參數(shù)滿足設(shè)計(jì)要求。否則，若管程過(guò)程氣出口溫度過(guò)低或殼程進(jìn)水溫度過(guò)低都會(huì)發(fā)生露點(diǎn)和濕硫化氫腐蝕的可能。

2）在裝置停工時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行吹掃操作規(guī)程，先用煙氣吹掃，再氮?dú)獯祾吒蓛舨⒈３指稍?，杜絕系統(tǒng)內(nèi)殘留腐蝕性氣體，切不可用水或蒸汽清洗管束，避免露點(diǎn)和濕硫化氫腐蝕發(fā)生。

3）定期檢驗(yàn)報(bào)告中，只有壓力容器宏觀檢查報(bào)告、殼體測(cè)厚報(bào)告及殼體接管焊縫PT報(bào)告，而沒(méi)有針對(duì)管板及管接頭的檢驗(yàn)報(bào)告。所有報(bào)告的檢驗(yàn)結(jié)果均為合格，檢驗(yàn)結(jié)論：設(shè)備的安全狀況等級(jí)評(píng)定為3級(jí)?？梢?jiàn)，定期檢驗(yàn)時(shí)應(yīng)關(guān)注管接頭這個(gè)薄弱點(diǎn)。

4　措施建議

從硫磺水冷器管接頭泄漏原因分析可見(jiàn)，控制水冷器管接頭泄漏要從設(shè)計(jì)制造、使用管理以及定期檢驗(yàn)等共同做起。

1）水冷器的選材要兼顧管/殼程介質(zhì)的雙重腐蝕性，盡管09CrCuSb換熱管對(duì)耐管程過(guò)程氣的高溫硫化、低溫露點(diǎn)及濕硫化氫腐蝕和殼程的水汽腐蝕是一種較為理想的材料［6-7］，但由于沒(méi)有相應(yīng)的板材或鍛件標(biāo)準(zhǔn)，管板須選用不耐高溫硫化等腐蝕的Q245R。對(duì)此建議設(shè)計(jì)應(yīng)對(duì)管端采取防護(hù)防腐措施［9-10］，而不一味進(jìn)行選材升級(jí)如316L［6-7］。由于管接頭所處工況苛刻，所以，制造應(yīng)嚴(yán)格質(zhì)量計(jì)劃，保證管接頭的強(qiáng)度焊焊腳高度和貼脹到位。

2）水冷器的安穩(wěn)長(zhǎng)周期運(yùn)行，不僅利好裝置系統(tǒng)而且更利于防腐蝕，所以使用管理應(yīng)注重水冷器的操作規(guī)程尤其是管程出口溫度的控制；并且在裝置停工時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行吹掃規(guī)程，杜絕系統(tǒng)內(nèi)殘留腐蝕性氣體，嚴(yán)禁用水或蒸汽清洗管束。

3）管接頭是水冷器的薄弱點(diǎn)，定期檢驗(yàn)應(yīng)注重管接頭的檢查，并將管接頭的可靠性作為評(píng)定安全狀況等級(jí)［11］的必要判據(jù)。

5　結(jié)束語(yǔ)

作為煉化行業(yè)凈化排空氣體H2S的硫磺回收裝置，硫磺水冷器至關(guān)重要，其內(nèi)漏不僅影響裝置的“安穩(wěn)長(zhǎng)滿優(yōu)”運(yùn)行，而且更關(guān)乎石化公司對(duì)社會(huì)的HSE責(zé)任。而實(shí)現(xiàn)水冷器的安穩(wěn)長(zhǎng)周期運(yùn)行，需要設(shè)計(jì)制造和使用管理及定期檢驗(yàn)共同進(jìn)行內(nèi)漏的風(fēng)險(xiǎn)控制。

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中圖分類號(hào)：X933.4

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1673-257X（2016）02-0068-03

DOI：10.3969/j.issn.1673-257X.2016.02.018

作者簡(jiǎn)介：張雅新（1967～），女，高級(jí)主管，工程師，主要從事腐蝕與防護(hù)研究工作。

收稿日期：（2015-05-05）

Analysis and Suggestion about the Leakage of Tube Joints in Sulfur Cooler

Zhang Yaxin1Yu Gang2Li Chongyong2
（1. PetroChina Liaoyang Petrochemical Company Machinery and Equipment Division Liaoyang 111003）
（2. PetroChina Liaoyang Petrochemical Company Machinery Factory Liaoyang 111003）

AbstractSulfur cooler，whose internal leakage will directly influence the “smooth，steady，long，full and excellent” operation of the unit，is one of the important equipments of sulfur recovery system，which is used to purify the vent gas in petrochemical industry. The analysis has been done on the leakage of tube joints in sulfur cooler in many ways，including corrosive environment，structure design，materials selection，quality plan，use management，periodic inspection，and so on. The suggestion is that the design of sulfur cooler should give consideration to the dual medium corrosively from both tube side and shell side，and perfect the corrosion prevention structure of tube-end，the construction should assure the reliability of connection using tube joints，the use management should not only assure the normal operation，but also pay attention to the corrosion and protection of the purging during the shutdown，the periodic inspection should put more focus on the rating of the safety situation for tube joints.

KeywordsSulfur cooler Tube joints Leak