高壓換熱器管頭開裂原因分析

時丕斌

（中國石油遼河石化公司第三聯(lián)合運行部，遼寧盤錦124022）

高壓換熱器管頭開裂原因分析

時丕斌

（中國石油遼河石化公司第三聯(lián)合運行部，遼寧盤錦124022）

加氫裝置高壓換熱器多選用U型管束，換熱管與管板的連接接頭屬于管束常見失效泄漏部位。文中針對某高壓換熱器管板及管頭開裂現(xiàn)象進行了結(jié)構(gòu)分析、宏觀檢查及結(jié)晶物化驗，確定了是由應(yīng)力腐蝕引起的管板及管頭開裂，并提出了相應(yīng)的改進方案。

高壓換熱器；應(yīng)力腐蝕；泄漏；氯離子

隔膜密封盤式高壓換熱器的隔膜密封盤是邊緣和中心部位稍厚的金屬薄圓盤，邊緣及中心部位厚度約15 mm，中間的1個環(huán)形區(qū)域較薄，厚度僅5 mm，這樣的結(jié)構(gòu)使隔膜密封盤具備彈性，當(dāng)設(shè)備承受內(nèi)壓及高溫時，避免產(chǎn)生較大應(yīng)力［1］。換熱器運行過程中，與管箱端部焊接連接的隔膜密封盤起密封作用，螺栓連接的平蓋封頭則承受管箱壓力載荷。U型管束通過埋頭螺栓、管板纏繞墊片安裝于筒體內(nèi)［2］。

1 換熱管接頭開裂原因分析

拆檢發(fā)現(xiàn)換熱管接頭開裂后，結(jié)合換熱器運行情況，并采用宏觀檢查、結(jié)晶物分析等方法，對換熱管接頭開裂原因進行了分析。

1.1 宏觀檢查

換熱器拆除檢修過程中，發(fā)現(xiàn)換熱器管束管板端面附著有大量的結(jié)晶物，而且管板下半圓周（介質(zhì)流出段）范圍內(nèi)結(jié)晶物較多。

由于換熱管管板端面沉積物較多，為降低結(jié)晶物在大氣環(huán)境下吸濕腐蝕風(fēng)險，將該管束運送至高壓清洗廠清洗。管束徹底清洗后，檢查發(fā)現(xiàn)管板及焊接接頭處存在大量裂紋，部分裂紋貫穿換熱管管頭，且裂紋沿?fù)Q熱管管孔呈輻射狀分布，裂紋主要分布在管束下半圓周內(nèi)（介質(zhì)流出段），上半圓周（介質(zhì)流入段）則未見裂紋。

進一步檢查換熱器接頭裂紋發(fā)現(xiàn)，裂紋主要分布在換熱管管頭、管頭焊縫及熱影響區(qū)部位，而且主裂紋末端有較多分叉，呈樹枝狀。換熱器管板開孔區(qū)邊緣的非開孔部位亦有少量微裂紋，沿主裂紋分布有大量的細(xì)小樹枝狀分叉［3］。

1.2 結(jié)晶物分析

為進一步分析確定結(jié)晶物的組成，對換熱器管板表面結(jié)晶物進行采樣分析，數(shù)據(jù)見表1。

表1 管板端面結(jié)晶物組成

通過化驗分析可知，管板表面結(jié)晶物主要成分為氯化銨晶體。分析認(rèn)為由于裝置原料氯含量較高，氯化物經(jīng)加氫反應(yīng)后，生成氣態(tài)氯化氫，在低溫部位，與氮化物加氫生成的氨氣結(jié)合析出氯化銨晶體［4］。

1.3 失效原因分析

U型管束管板端面屬應(yīng)力集中區(qū)域，生成運行過程中，由于殼程工作壓力高于管程工作壓力，因此，換熱器管板有凸向管箱的趨勢，換熱器管板外端面承受拉應(yīng)力。此外，換熱管與管板脹接過程中，換熱管發(fā)生塑性變形的同時，管板也將發(fā)生一定程度的塑性變形，為了保證脹接效果，通常保證換熱管與管板連接接頭有足夠的脹后殘余應(yīng)力［5］。且由于換熱管焊接接頭受載較為特殊，它除了受管程和殼程壓力差外，還有管板變形，甚至是溫差應(yīng)力等。另外，管板焊接接頭本身是一個厚度差異較大的角焊縫，應(yīng)力集中現(xiàn)象突出，再加管板為密集開孔區(qū)域，換熱管焊接過程中熱影響區(qū)較大，應(yīng)力集中現(xiàn)象嚴(yán)重。應(yīng)力（尤其是拉應(yīng)力）通常是腐蝕開裂的驅(qū)動力。

結(jié)合宏觀檢查情況，換熱器管束結(jié)晶物沉積區(qū)域及開裂區(qū)域均位于管束下半圓周范圍內(nèi)，即介質(zhì)流出段，根據(jù)U型管換熱器管程介質(zhì)流動規(guī)律及換熱器運行參數(shù)可知，該部位工作溫度約205～260℃。氯化銨晶體結(jié)晶溫度為210℃，當(dāng)介質(zhì)中氯含量及氨氮含量升高時，該結(jié)晶溫度也將隨之提高，曾發(fā)現(xiàn)部分加氫裝置在300℃的高溫部位有銨鹽結(jié)晶沉積現(xiàn)象。顯然，該換熱器流出段運行在銨鹽結(jié)晶溫度區(qū)域內(nèi)，當(dāng)管程介質(zhì)氯含量及氨氮含量達(dá)到較高水平時，伴隨介質(zhì)流動降溫，流經(jīng)該部位時，將有氯化銨晶體析出并沉積在金屬表面上。

奧氏體不銹鋼換熱管接頭出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，是由于換熱管在脹接、焊接過程中存在較大的殘余應(yīng)力。而且，在工作載荷的條件下，換熱器管板將產(chǎn)生變形，帶來較大的附加應(yīng)力。這些高應(yīng)力區(qū)域沉積有大量的氯化銨鹽，當(dāng)該部位接觸水后，將形成特定的氯離子腐蝕環(huán)境，并誘發(fā)應(yīng)力腐蝕開裂現(xiàn)象。

2 改進措施

2.1 降低加氫原料氯化物含量

原料油是加氫裝置氯化物的主要來源，為降低氯化銨結(jié)晶腐蝕風(fēng)險，要加強原料油氯化物含量分析，保證其總氯含量不高于2×10-6的指標(biāo)。此外，重整氫也是氯化物的重要來源，在生產(chǎn)過程中，要定期對重整氫氣進行氯化物含量分析，一旦發(fā)現(xiàn)氯化物超標(biāo)，應(yīng)及時更換重整裝置脫氯劑。因此，需持續(xù)加強源頭氯含量控制，建議總氯不大于1×10-6，總氮不高于2 500×10-6，以降低反應(yīng)產(chǎn)物中的氯化物及氨氮含量，減緩銨鹽結(jié)晶速度。

2.2 加強生產(chǎn)運行及開停工過程管理

裝置生產(chǎn)運行過程中，應(yīng)加強反應(yīng)系統(tǒng)注水管理，保證一定流量的液相注水，可以最大程度的洗滌銨鹽，防止氯化物沉積析出，降低腐蝕風(fēng)險。加氫裝置可參照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)計算確定氯化銨結(jié)晶溫度，當(dāng)結(jié)晶溫度高于注水點處工作溫度時，需考慮在結(jié)晶點前高溫部位增設(shè)注水點，以避免結(jié)晶物附著在設(shè)備及管壁上，從而減緩結(jié)晶沉積速度，保證裝置正常生產(chǎn)。此外，需嚴(yán)格控制裝置開停工過程，以防高壓換熱器等不銹鋼設(shè)備接觸水而形成腐蝕環(huán)境。檢修過程中，管束抽出后應(yīng)盡快安排清洗，如長時間不用，可考慮堿洗后再使用氮氣吹掃干凈，并使用氮氣保護，減少設(shè)備腐蝕發(fā)生。

3 結(jié)束語

高壓換熱器是加氫裝置的關(guān)鍵設(shè)備，原料劣質(zhì)化、運行工況苛刻化對設(shè)備的安全運行構(gòu)成了威脅。尤其氯化銨鹽結(jié)晶腐蝕問題成為了加氫裝置高壓換熱器泄漏失效的主要原因，生產(chǎn)過程中，需持續(xù)加強裝置原料質(zhì)量管理，建立氯化物及氮化物含量預(yù)警機制，并通過調(diào)整運行參數(shù)、優(yōu)化注水流程等方式，減緩氯化銨結(jié)晶沉積，降低腐蝕風(fēng)險，保證裝置安全長周期平穩(wěn)運行。

［1］陳鳳，劉桐生，桑芝富，等.雙殼程U型管換熱器管子與管板連接失效分析［J］.石油化工設(shè)備技術(shù)，2004，33（4）：11-14.

［2］何平.螺紋鎖緊環(huán)換熱器與隔膜密封換熱器的結(jié)構(gòu)分析［J］.石油化工設(shè)備技術(shù)，2009，30（6）：19-20.

［3］龔雪，謝禹鈞.隔膜密封換熱器中隔膜密封盤的應(yīng)力分析計算［J］.當(dāng)代化工，2011，40（11）：1202-1204.

［4］張樹生，程延海，程林.U型管換熱器管—管板焊接工藝［J］.石油化工腐蝕與防護，2005，26（2）：56-57.

［5］倪婉芳.大型管殼式換熱器管—管板連接的可靠性措施［J］.石油化工設(shè)備技術(shù)，2002，23（5）：14-20.

Cause analysis of tube head cracking of high pressure heat exchanger

Shi Pibin
（PetroChina Liaohe Petrochemical Company，No.3 Joint Operation Department，Panjin 124022，China）

Hydrogenation units mostly uses U-shape tube bundles,and the attachment joins of the heat exchanger tubes and tube sheets belong to the common failure leakage position.This paper made structural analysis,macroscopic examination and crystal substance’s chemical analysis of the cracking phenomenon of the tube sheets and tube ends of a high pressure heat exchanger,and determined that the tube sheet and tube end cracking were caused by the stress corrosion,and put forward relevant improvement scheme.

high pressure heat exchanger;stress corrosion;leakage;chloridion

TE965

B

1671-4962（2017）06-0043-02

2017-09-11

時丕斌，男，工程師，2009年畢業(yè)于遼寧石油化工大學(xué)過程裝備與控制工程專業(yè)，現(xiàn)從事煉油設(shè)備維護與管理工作。