加氫精制裝置換熱器腐蝕原因分析及防護措施

李宇光，劉道友，李順

（1.中國石油遼陽石化公司，遼寧 遼陽 111003；2.沈陽工業(yè)大學(xué) 化工裝備學(xué)院，遼寧 遼陽 111003；3.沈陽工業(yè)大學(xué) 商貿(mào)學(xué)院，遼寧 遼陽 111003）

煉油工業(yè)中，換熱器的應(yīng)用十分廣泛，其重要性也是顯而易見的，換熱設(shè)備利用率的高低直接影響到煉油工藝的效率以及成本。據(jù)統(tǒng)計換熱器在化工項目建設(shè)中約占投資的1/5，因此換熱器的利用率及壽命是值得研究的重要課題。由換熱器的損壞原因來看，腐蝕是一個十分重要的原因，本文以某石化公司3.0 Mt/a 加氫精制裝置中換熱器為例，分析了其腐蝕原因并提出防護優(yōu)化措施。

1 加氫精制工藝流程簡介

加氫精制裝置工藝流程圖參見圖1。

圖1 裝置工藝流程簡圖

從加氫精制反應(yīng)器（R8301）出來的反應(yīng)產(chǎn)物進入混氫原料油換熱器（E8301A/B/C）管程與混氫原料油換熱降溫至110 ℃后，再進入反應(yīng)產(chǎn)物空冷器（A～8301/A～H），冷卻至50 ℃左右進入高壓分離器（D8303）進行油、水、氣三相分離。其中，換熱器E8301B 和E8301C 參數(shù)如表1所示。

表1 E8301B/C 部件材質(zhì)

2 換熱器腐蝕及檢修情況

2019年12月，換熱器E8301B 出現(xiàn)換熱效率下降，換熱器E8301C 管箱隔板出現(xiàn)異響。打開換熱器E8301B 封頭檢查后發(fā)現(xiàn)封頭處出現(xiàn)沉積物，見圖2、圖3。

圖2 換熱器封頭

由圖2和圖3可以看出，隔板槽一側(cè)密封擋板開焊，殼體Ω密封環(huán)焊道內(nèi)窺鏡檢測發(fā)現(xiàn)管束內(nèi)存在點蝕，用脫鹽水打壓，陸續(xù)出現(xiàn)管束泄漏，共計25 根。采用封堵的方法進行處理，回裝后現(xiàn)場使用氫氣進行氣密試驗，未發(fā)現(xiàn)泄露。

圖3 封頭沉積物

打開換熱器E8301C 封頭檢查后發(fā)現(xiàn)封頭處出現(xiàn)沉積物，管箱與隔板焊接處出現(xiàn)一道裂紋（參見圖4），殼體側(cè)和管板外側(cè)Ω密封環(huán)焊道無損檢測存在多處裂紋（參見圖5），內(nèi)窺鏡檢測發(fā)現(xiàn)管束內(nèi)襯輕微點蝕。經(jīng)過對裂紋進行補焊，著色檢測合 格，回裝現(xiàn)場后使用氫氣進行氣密試驗，壓力升至1.6 MPa 后，發(fā)現(xiàn)殼體與Ω環(huán)焊縫處出現(xiàn)3 處滲漏點。將E8301C 從裝置上拆卸下來，解體檢查，發(fā)現(xiàn)殼體側(cè)處Ω環(huán)焊縫有多處裂紋。

圖4 管箱隔板與管箱裂紋部位

3 換熱器腐蝕原因分析

化工換熱器常見腐蝕情況有電化學(xué)腐蝕、表面磨損腐蝕、換熱管腐蝕、長期運行腐蝕等[1]。

3.1 E8301B 管束泄露原因分析

通過E8301B 封頭沉積物分析并結(jié)合內(nèi)窺鏡觀察管束存在點蝕現(xiàn)象，可以認定E8301B 管束泄露的根本原因是發(fā)生了NH4Cl 垢下腐蝕。E8301B 管程實際入口溫度為191.4 ℃，出口溫度為161.5 ℃，殼程出口溫度為97.7 ℃，運行溫度處于NH4Cl 結(jié)鹽溫度范圍之內(nèi)。附著在換熱器管束上的NH4Cl 結(jié)晶吸收少量水分后，形成高濃度氯化銨溶液。并且管束材質(zhì)為0Cr18Ni10Ti，屬于奧氏體不銹鋼，對Cl-高度敏感，在這一環(huán)境中產(chǎn)生較強的腐蝕作用。

圖5 Ω密封環(huán)焊道無損檢測

3.2 E8301C 中Ω環(huán)焊縫裂紋原因分析

E8301C 殼體材質(zhì)為15CrMo R(H)，Ω環(huán)材質(zhì)為316L，在焊接密封面位置設(shè)計應(yīng)采用雙層堆焊（E309L+E347）。兩次檢修發(fā)現(xiàn)裂紋主要在主焊縫和堆焊層之間，第一次檢測時發(fā)現(xiàn)裂紋進行修補，但是有部分內(nèi)部裂紋無法通過著色檢測發(fā)現(xiàn)，該部分裂紋出現(xiàn)延遲出現(xiàn)，造成換熱器在回裝后發(fā)生泄露。延遲裂紋的出現(xiàn)主要是因為密封面上堆焊層存在缺陷造成的。

3.3 E8301C 管箱與隔板焊接處出現(xiàn)裂縫原因分析

E8301C 管箱與隔板焊接處附近出現(xiàn)一道裂 縫，從形貌看為應(yīng)力開裂。并且該裂縫沒有處于焊接縫，而是在隔板本體上出現(xiàn)。查閱API571 該部位出現(xiàn)裂紋可能原因很多，結(jié)合設(shè)備工況及材質(zhì)分析，較為可能的原因是氫脆。氫脆在腐蝕性環(huán)境中把氫充入鋼的時候會發(fā)生，由于原子氫的穿透而造成的高強度鋼的延性損失，同時焊后熱處理未到 位，在包括制造過程中的冷卻、焊接或者施加載荷的剩余應(yīng)力作用下，導(dǎo)致脆性斷裂。

3.4 E8301CΩ密封環(huán)腐蝕凹坑原因分析

E8301CΩ密封環(huán)上半?yún)^(qū)出現(xiàn)腐蝕凹坑，形態(tài)為點蝕，可能的原因是發(fā)生了NH4Cl 垢下腐蝕。Ω環(huán)在安裝或者運行過程中的密封面發(fā)生輕微變形錯位，形成介質(zhì)流動死區(qū)，NH4Cl 在該部位富集，發(fā)生腐蝕。

4 腐蝕防護措施優(yōu)化

4.1 重整氫中氯化氫含量控制

NH4Cl 結(jié)晶物的生成主要原因是物料中HCl 和NH3的存在。通過采用國內(nèi)使用效果好的脫氯劑，進一步將更換周期降至3 個月，保證脫氯效果。同時考慮在精制裝置新氫來料進裝置前增設(shè)脫氯罐對重整氫原料進一步脫氯，控制氯化氫含量，可有效降低裝置氯腐蝕和結(jié)鹽風(fēng)險。建議可以參考其他公司做法：加氫精制裝置加工原料總氯質(zhì)量濃度全部低于設(shè)定預(yù)警值 1 mg/L[2]，并對加氫精制裝置加工原料總氯質(zhì)量濃度進行檢測。

4.2 優(yōu)化工藝控制措施

4.2.1 加強監(jiān)測，適當(dāng)提高注水量

將注水切換至 E8301C 前，適當(dāng)提高注水量，對銨鹽進行沖洗，控制銨鹽結(jié)垢堵塞及腐蝕。

4.2.2 工藝注水改造優(yōu)化

通過改造，在E8301B 前增加獨立注水泵，實現(xiàn)連續(xù)注水，并合理計算確定注水量（確?？傋⑺康?5%在注水部位為液態(tài)），采用專用注水噴頭，確保注入水的混合均勻性。

4.2.3 結(jié)鹽溫度計算與控制

建立Kp 值和結(jié)鹽溫度計算方法，合理調(diào)控反應(yīng)流出物系統(tǒng)的溫度分布，確保銨鹽結(jié)晶點調(diào)整到注水點之后。

4.3 E8301B 管束材質(zhì)升級

《SH/T 3096-2012 高硫原油加工裝置設(shè)備和管道設(shè)計選材導(dǎo)則》中對加氫精制裝置換熱器管束選材指導(dǎo)意見中提出“如果本臺換熱器上游管道設(shè)置注水點，管道材料宜選用NS1402（N08825）和022Cr23Ni5Mo3N 或022Cr25Ni7Mo4N 和15CrMo/ 14Cr1Mo”。

由于換熱器E8301B 管束材質(zhì)為0Cr18Ni10Ti奧氏體不銹鋼，在反應(yīng)流出物系統(tǒng)的氯化銨腐蝕環(huán)境中有應(yīng)力腐蝕開裂傾向，現(xiàn)將材質(zhì)升級為825 合金，可顯著提升設(shè)備本身耐腐蝕性能，降低應(yīng)力腐蝕開裂風(fēng)險。

5 結(jié)束語

E8301B 管束發(fā)生了NH4Cl 垢下腐蝕，E8301C管箱與隔板裂縫可能的原因是氫脆，防護措施應(yīng)采取控制HCl 含量、優(yōu)化工藝流程（如注水改造、結(jié)晶溫度計算與控制等）、對E8301B 管束材質(zhì)進行升級。