有機硅裝置換熱器泄漏原因分析及解決措施

張洪亮，霍志國，曾國海

（中國石油吉林石化公司，吉林吉林 132021）

0 引言

某公司有機硅裝置目前裝置已運行多年，但在生產(chǎn)過程中設備出現(xiàn)的各種故障給裝置平穩(wěn)運行帶來了很大影響。除有機硅裝置技術瓶頸外，換熱器的頻繁泄漏也制約著裝置的正常運行。如有機硅裝置300#單元中切塔冷凝器的泄漏導致中切塔進水，使塔內(nèi)物料水解，造成塔內(nèi)填料嚴重腐蝕，迫使整個有機硅裝置全線停車，給工廠帶來極大的影響。

1 有機硅裝置換熱器

有機硅裝置換熱器占設備總量約34%，其中鋼制管殼式換熱設備共計85臺，占換熱器總量的74%；石墨換熱設備共計26臺，占換熱器總量的23%，兩者占總量的98%。有機硅裝置換熱設備種類較多，而且根據(jù)物料不同換熱器的選用材質(zhì)也不同。如有機硅吸收解析及氯甲烷合成系統(tǒng)有HCl等強腐蝕性物料，換熱器材料是由耐鹽酸腐蝕的石墨及哈氏合金（Hastelloy Alloy，注：美國哈氏合金國際公司所生產(chǎn)的鎳基耐蝕合金商業(yè)牌號的統(tǒng)稱）構成；裂解系統(tǒng)對物料所含雜質(zhì)要求較高，換熱設備材質(zhì)較多用不銹鋼；單體合成系統(tǒng)及分餾系統(tǒng)由于物料本身沒有腐蝕性，所有設備的材料均為碳鋼。經(jīng)過4年生產(chǎn)運行，其中單體合成系統(tǒng)及分餾系統(tǒng)中換熱器的檢修率居高不下，不同材料的換熱器，泄漏的原因也不相同。單體合成系統(tǒng)及分餾系統(tǒng)內(nèi)物料為混合單體（甲基氯硅烷單體），此物料遇水生成鹽酸及水解物，能夠腐蝕碳鋼設備。

近階段鋼制管殼換熱器泄漏率較高，因此以下重點分析鋼制管殼換熱設備的泄漏問題。

2 鋼制管殼式換熱設備泄漏原因

從泄漏的位置和泄漏的情況來看，它可分為腐蝕泄漏、磨損泄漏和靜密封失效泄漏等3種類型。原因在于設備制造存在固有缺陷，操作參數(shù)波動引起的疲勞破壞，以及設計、結構和質(zhì)量控制方面的缺陷。

2.1 制造過程中的缺陷導致泄漏

焊接質(zhì)量是換熱器制造上的關鍵。當熱交換器管與管板焊接時，在焊接接頭的兩側形成熱影響區(qū)，該熱影響區(qū)是焊接接頭的薄弱部分，并且角焊接接頭本身具有應力集中，存在焊接熱應力，管板密集開裂，焊接熱影響大，應力集中點大，容易產(chǎn)生微裂紋。如果遇到腐蝕環(huán)境的影響，會導致?lián)Q熱管接頭泄漏。管和管板的焊接結構的特征在于具有緊密布置的小圓形單道焊縫，并且管板厚。如果焊接過程不合適，很容易引起焊接缺陷，例如焊接熔合不良，裂縫和毛孔。這些缺陷受到操作過程中交變應力的影響，特別是當焊縫厚度薄，承載能力小，裂紋擴大，導致泄漏時。這已成為換熱器失效的普遍原因。

2.2 操作因素導致泄漏

（1）在熱交換器運行期間，由于過程運行不規(guī)律等因素，設備的工作壓力不穩(wěn)定，溫度的突然變化引起熱應力。這些操作因素的波動將引起墊圈在熱交換器管板凸緣的靜態(tài)密封表面上的預加載力的變化。重復循環(huán)導致墊圈恢復到較差的彈性和蠕變，導致法蘭螺栓松動并且密封失效。如有機硅裝置單體合成系統(tǒng)及分餾系統(tǒng)中用于氯硅烷單體冷卻的浮頭式換熱器，多次由于小浮頭蓋密封失效導致水與單體接觸，反應生成的HCl，加劇了設備內(nèi)部浮頭蓋密封面及換熱管束的腐蝕損壞速度，如發(fā)現(xiàn)處理不及時還將造成與整個系統(tǒng)相連的其他設備及管道阻塞及腐蝕泄漏。

（2）由于有機硅裝置生產(chǎn)工藝本身的特點及由于工藝操作不規(guī)范等因素導致有機硅裝置各工序的物料中所含的氯離子數(shù)量不定，及物料pH值波動等原因造成換熱器腐蝕泄漏。例如在有機硅裝置原500#脫氯系統(tǒng)中的不銹鋼換熱器及管線，長期在Cl-環(huán)境中發(fā)生應力腐蝕，導致熱交換管和管板接頭之間的接頭處的焊接。

（3）由于設備相關管線設計安裝位置不合理，造成工藝無法正常操作，導致設備腐蝕。如有機硅氯甲烷合成系統(tǒng)的甲醇蒸發(fā)器設計安裝位置低，系統(tǒng)中的少量鹽酸經(jīng)甲醇氣出口管線流至甲醇蒸發(fā)器內(nèi)，造成碳鋼管束局部腐蝕。

2.3 換熱器檢修過程中造成的腐蝕

由于有機硅裝置物料的特殊性，如果為氯硅烷單體換熱的設備泄漏后，單體物料與水接觸反應，生成鹽酸和水解物，鹽酸不僅腐蝕設備，固體水解物還阻塞管束縫隙。因此泄漏的換熱器需及時檢修，清理管束。目前經(jīng)常使用高壓水清洗換熱器管束，雖然大部分管束表面能夠清洗干凈，但管板內(nèi)側與換熱管根部縫隙內(nèi)的物料無法清理徹底，形成污垢堆積在縫隙內(nèi)，且此污垢與水接觸已顯酸性，透過換熱管根部縫隙對管板焊縫及換熱管本身造成腐蝕。這是有機硅裝置氯硅烷單體冷凝器泄漏的原因之一。

3 解決換熱器泄漏的措施

3.1 按照換熱器的制造標準執(zhí)行

目前有機硅近期新做的大部分換熱器都存在著共性問題—管板與換熱管的焊縫高度不夠。為確保焊縫強度，需增加焊縫高度和焊縫數(shù)量。

首先，有必要增加在原設計中從管板突出的換熱器管的長度，以確保其為（3～4）mm，熱交換管相對于管板的延伸長度L1=1.4S，其中，S是管壁厚，焊角角度的高度可以增加到＞3 mm，并且在焊接期間噴嘴不能熔化。熱交換管和管板應形成角焊縫。換熱管末端應除銹，防銹長度應≥2倍管子直徑，≥25 mm。其次，有必要采取多道焊接方法來減少毛孔等焊接缺陷的發(fā)生。由于焊縫表面或內(nèi)部孔隙的一層可能深或甚至穿透沉積的金屬，多道焊接可以大大減少焊接缺陷的機會。同時也增加了熔敷金屬厚度。為此，應使用水平固定手動鎢極氬弧焊或垂直提升手工電弧焊。焊接層數(shù)至少保證兩層。這將確保焊縫的強度得到充分保障。此外，必須徹底清除焊接區(qū)域的油污、鐵銹、水垢和其他雜質(zhì)，并具有良好的氬氣保護，以減少焊接缺陷的產(chǎn)生。必要時進行適當?shù)暮负鬅崽幚?。對于易受應力腐蝕的焊接，可根據(jù)需要進行焊后熱處理，以消除焊接殘余應力并減少管板上的應力集中。

3.2 在大修過程中需要控制的關鍵點

（1）換熱器清洗。由于大型列管換熱器管束較多且排列較密，高壓水清洗時，對管板內(nèi)側與換熱管根部縫隙內(nèi)的污垢要徹底清洗避免腐蝕發(fā)生。清洗后，要及時對管束烘干處理，避免水分長時間在管束上停留。

（2）密封墊片安裝。在由法蘭、螺栓、墊片組成的靜密封系統(tǒng)中，三者互相依賴，只要其中之一出現(xiàn)問題，就會導致泄漏。墊圈的尺寸應準確，以確保墊圈的安裝精度。非金屬軟墊圈不應用于內(nèi)部連接墊圈，如浮頭。對易泄漏的浮頭式換熱器的小浮頭法蘭要及時進行有效預緊，或加裝預緊碟簧以補償預緊力。

（3）管板—換熱管焊縫泄漏修復。實踐證明，有機硅裝置尤其是單體合成系統(tǒng)及分餾系統(tǒng)的混合單體換熱器，只要管板—換熱管焊縫泄漏過一次，如沒有徹底對焊縫處理，僅對泄漏處補焊的，使用周期非常短，并且造成惡性循環(huán)。修復方法有3種：①補焊。對管板上的列管周圍焊肉均勻向下打磨，著色檢查，至裂紋為止。不建議將列管周圍焊縫拋光得太深而不能露出管的橫截面外徑。因為管子與管板之間存有一層銹，如果焊肉打磨過深，在焊接過程中污垢和熔融金屬會向上翻騰，這可能會導致焊接缺陷，如飛濺、氣孔、夾渣等。②堵管。熱交換管本身泄漏并且可以通過堵塞方法進行修理。堵管所用的堵頭應有一定的錐度，直徑比換熱管的內(nèi)徑大1 mm，其材料可與換熱管相同或相近，最后進行封焊。③換管。將換熱管管端焊縫處先鉆除，將整根管子拔出。換熱管取出后需要清理管板孔，將同材料、同規(guī)格的管子換上，進行焊接。

3.3 改變換熱器的結構形式

（1）用U形管換熱器更換浮頭式換熱器。與浮頭式換熱器相比，由于浮頭密封被移除，管束的靜密封點減少，U形管式熱交換器的管束不易發(fā)生內(nèi)漏，即使發(fā)生內(nèi)部漏，也很容易處理，特別是在尋找泄漏時，不需要太多的工具；當尋找內(nèi)部泄漏時，浮頭式熱交換器需要大量的特殊工具，操作麻煩。使用狀態(tài)下的受力狀態(tài)良好，特別是當管長度的溫差大，每個管道工藝的溫度不同時，單管工藝的熱管的溫差應力可以自由平衡。它不受浮動管板的限制，這有利于保護熱交換管。使用過程中操作更靈活。然而，U形管中的清潔是困難的并且更換不方便。適用于冷熱流體溫差大，管子清潔，不易結垢的場合。

（2）用雙管板換熱器取代浮頭換熱器。雙管板結構換熱器對絕對限制管程和殼程的兩種熱交換介質(zhì)的相互滲透性具有特殊效果。雙管板結構不僅可用于固定管板式熱交換器，還可用于U形管、浮頭或其他形式的熱交換器。管板結構的換熱器比單管板更難以制造，成本高，并且維修不容易。

3.4 加強人員培訓

提高工藝操作水平，避免換熱器的工作壓力、工作溫度、物料pH值等工藝參數(shù)的大幅度波動。盡量減少裝置的開停車次數(shù)，為換熱器長期穩(wěn)定運行創(chuàng)造條件。