加氫精制換熱器Ω環與管板焊縫開裂的討論

陳 罡 曾海云 劉 巖 張 光

（中國石油遼陽石油化纖公司建修公司 遼陽 111003）

某加氫精制裝置3臺Ω環焊接密封結構的U形管式換熱器E01ABC，其中E01C在管程側管板的上部先后發生兩次Ω環與管板焊縫熔合線開裂。對此，筆者從設計、使用、修理等方面進行分析。

1 使用概況

Ω環焊接法蘭屬于無墊片焊接密封法蘭[1]結構的一種，當Ω環用作高溫高壓U形管式換熱器的管箱法蘭與殼體法蘭經緊固件夾持管板的密封元件時，類似墊片安裝在密封面處，將Ω環分為兩半，分別與管箱法蘭和管程側管板密封面或殼程側管板密封面和殼體法蘭的內測密封焊接，然后用緊固件擰緊，再將兩半環組焊成Ω環，如圖1所示。由于這種結構的密封性能靠Ω環的密封焊來保證，雖無須墊片壓緊力（按無墊片考慮），但為保證Ω環的密封焊縫在操作狀態下不至開裂，應使Ω環處于軸向壓縮或自由狀態，因此仍需要適當的螺栓預緊力。但這種Ω環焊接密封所需的螺栓載荷遠小于有墊片的密封結構，因此減小了法蘭與螺栓的尺寸。由于Ω環焊接密封結構的可靠性和具有軸向變形能力，廣泛用于高溫、高壓、溫度或壓力波動、介質滲透性強，或高（低）溫引起緊固件松弛而造成泄漏的場合，如煉油中加氫精制裝置的U形管式換熱器[2-5]。

圖1 管箱法蘭與殼體法蘭經緊固件夾持管板的Ω環密封結構

這臺Ω環焊接密封U形管式換熱器（簡稱E01C），材料為15CrMo（在管箱或殼體法蘭密封面、管板密封面及凸臺側面堆焊E347L，Ω環與法蘭或管板的堆焊層填角焊，見圖1），而Ω環材料則為316L，技術特性見表1。2006年設計并制造，2007年初使用。2013年8月在裝置停工檢修時發現，管束腐蝕較為嚴重，管板隔板槽上部的管程進口處有約1/5面積腐蝕厚度2～3mm，做補焊處理，然后仍用原Ω環合口組焊繼續使用。2014年11月，因管程側Ω環上半部多處漏點，檢修發現內表面多處點蝕或孔蝕，整體更換管程側Ω環。2015年5月，因管程側Ω環與管板焊縫處上部泄漏，檢修時滲透檢測發現焊縫沿熔合線有裂紋、Ω環焊接熱影響區也有裂紋，清除裂紋后繼續組焊使用。2016年8月裝置停工檢修，因管束腐蝕泄漏在更換管束（并在管程進口處管板的管孔邊緣焊接L形擋板，以防沖蝕）時，更換管程側Ω環。2017年10月又因管程側Ω環與管板焊縫上部沿熔合線開裂（如圖2、圖3所示），再次更換Ω環。

表1 U形管式換熱器技術特性

圖2 Ω環與管板焊縫沿熔合線開裂

圖3 裂紋局部放大

從檢修過程看到，E01C經過7年多時間使用，首先是因管束腐蝕進行管程側Ω環對接焊縫解體修理，一年后發生Ω環上半部多處腐蝕泄漏，而整體更換Ω環，更換后的Ω環使用半年多，發生與管板焊縫處上部開裂；其次是因管束腐蝕泄漏在更換管束時，再次更換Ω環，結果使用一年后，再次發生與管板焊縫處上部開裂，其裂紋部位與上次相同（圖2、圖3顯示裂紋形貌），并作更換Ω環處理。

2 設計選材

加氫精制裝置有3臺結構形式一樣的換熱器，只是前兩臺E01AB殼體材料為2.25Cr-1Mo＋堆焊347L，而管束的管板與換熱管為321，Ω環材料也為316L。從加氫精制流程看到：原料油經3臺換熱器E01CBA殼程逐次預熱后進入加熱爐F01，再經反應器R01的反應物通過E01ABC管程逐級冷卻去空冷出產品。這3臺換熱器的管程/殼程介質、壓力基本一樣，只是溫度E01AB較E01C偏高，施工圖設計對于臨氫和硫化氫環境[6]，E01AB選用奧氏體不銹鋼（管束為321），而E01C則選用鐵素體鋼（管束為15CrMo）。但實際使用年限E01C不如E01AB長，并且E01C因管束腐蝕和Ω環泄漏而頻繁發生停工檢修（更換管束1次、更換Ω環3次），由此所造成的損失遠大于選用不銹鋼管束的造價。盡管E01B于2015年發生過管箱隔板開裂[4]和2017年因換熱管泄漏而堵26個管頭，這是由于設計沒有從工藝上避免銨鹽在換熱器中結晶或沒有從結構上考慮銨鹽結晶在線注水溶解，由此給使用帶來困難直至造成腐蝕失效，但E01A至今使用狀態完好。所以，E01C應根據使用工況，探討管束選用321的必要性，以避免管束腐蝕，利于Ω環的焊接性能。

3 工況分析

加氫精制是在高壓高溫和催化劑的條件下原料油加氫反應，在脫去硫、氮、氧、飽和烯烴，提高油品質量的同時，也產生了硫化氫、氨及水等腐蝕性成分，并且氨進一步與原料油中的氯、硫化合生成氯化銨和硫氫化銨，引起銨鹽結晶（垢）而堵塞換熱管甚至造成垢下腐蝕[7-8]，尤其是高硫原油的煉化，更是加重了加氫精制裝置的高溫硫腐蝕或低溫硫腐蝕的可能性[9-10]。E01C的15CrMo管板上部較為嚴重的腐蝕減薄，正是硫腐蝕和管程進口熱流體沖蝕共同作用的結果，由此縮短了管束的使用年限，而因腐蝕失效不得不提前更換管束。而E01B管箱隔板開裂是因與管箱焊縫的連多硫酸應力腐蝕失效所致[4，11]，E01B管束泄漏則是在U形管氯化銨結晶產生的垢下腐蝕造成[12-14]，這可以通過優化工藝過程、完善停工檢修的腐蝕防護等措施來控制。

對于煉化裝置中不銹鋼的腐蝕，文獻[15]總結：隨高硫原油煉化，裝置（由設備經管道連接而成）腐蝕凸顯，尤其是氯化物或硫化物的奧氏體不銹鋼SCC（應力腐蝕破裂）更嚴重危及煉化裝置的HSE。煉化裝置均有可能接觸含Cl-介質，如原油含有的氯化物（因開采與輸送加入）、循環冷卻水中的Cl-、容器制造與檢修過程的酸洗或水壓試驗用工業水殘留的Cl-濃縮、絕熱保溫層如珍珠巖棉等含有可溶氯化物若外包層保護不良而滲入雨水也會造成保溫層下Cl-環境等；而硫化物的SCC除了濕硫化氫環境外，更多的案例則是連多硫酸（裝置停工時設備表面的硫化鐵遇水與氧反應生成）引起。這對敏化奧氏體不銹鋼（包括使用過程或制造過程經歷敏化溫度范圍如焊接或冷作硬化形變馬氏體未經固溶處理或固溶處理不完全）容易產生晶間腐蝕微裂紋，為SCC提供應力集中，從而促進氯化物或硫化物的奧氏體不銹鋼的SCC。

由此可見，在探討E01C管束選用321的必要性時，尚應考慮硫化物或氯化物腐蝕的可能性，合理優化工藝過程和停工檢修時的腐蝕防護，如提高管程出口溫度高于銨鹽結晶溫度，或在管程加設注水（控制Cl-含量）管線適時化解銨鹽結晶，避免因間歇停工注水開啟管箱進口時空氣的進入而產生連多硫酸。另外，對管箱的鐵素體鋼應采取電偶腐蝕保護。

4 修理改進

上面從使用材料的耐蝕性和使用工況的腐蝕性對加氫精制用換熱器選材進行了分析，由于沒有換熱器檢修時留存的照片等相關腐蝕見證及相應的金相理化分析，只能從加氫精制裝置腐蝕與防護的文獻中參考相關案例取證，得出建議：E01C管束也應選用與E01AB相同的奧氏體不銹鋼（管板、換熱管為321）。同時發現，由于換熱器設計時沒有考慮銨鹽結晶及注水溶解，引起了諸如管箱隔板開裂、U形管束換熱管銨鹽垢下腐蝕泄漏，直至管程側Ω環泄漏。下面從焊接性對Ω環與管板焊縫開裂進行探討。

施工圖設計為了316L Ω環與15CrMo管板接觸（防止電偶腐蝕）及焊接，在管板的密封面及密封面與凸臺間垂直側面要求單層堆焊E347L，然后與Ω環填角焊（見圖4）。

由于15CrMo的焊接性[6]具有淬硬傾向對冷裂紋及再熱裂紋的敏感性，通常采用焊前預熱、控制層間溫度、焊后消氫處理及消除應力熱處理等措施控制；而316L的焊接性則由于脹縮性大具有熱裂紋的敏感性，并且由于焊接過程析出鉻的碳化物或形成σ相導致晶間腐蝕傾向，通常采用低碳焊材、減小焊接線能量且控制層間溫度等措施。兩者之間的焊接，在考慮兩者焊接性的同時，通常采用奧氏體型焊接材料在鐵素體表面施焊過渡層，并控制鐵素體對熔敷金屬的稀釋率，如采用坡口表面預堆邊焊、較小的焊接能量輸入等措施，文獻[5]修理時就是采取先用E309L焊接過渡層，然后用E347L焊接Ω環。而文獻[16]則在CrMo鋼管板采用雙層堆焊E309L＋E347L即管板2（見圖5）。

盡管文獻[16]也提出：如果焊接不當，Ω環與管板間焊縫容易出現開裂。但從本案例的Ω環與管板焊縫開裂兩次的位置看，都發生在上部而不是下部，這里除了焊接因素外，還有其他更重要的因素。從結構受力角度，管箱重力及管線推力使Ω環與管板焊縫上部產生拉應力（下部為壓應力）；而從結構裝配看，管板端部凸臺與管箱法蘭內壁存在1.5mm間隙，與管箱法蘭焊接的半Ω環端面開有寬17mm深2mm的凹槽，為另半Ω環與管板的焊縫留有空間。從管箱進口的熱流體雖不能直接沖刷Ω環與管板的焊縫，但經過管板端部凸臺與管箱法蘭內壁間1.5mm縫隙，流至與管箱法蘭焊接的半Ω環端面寬17mm深2mm的凹槽內，對另半Ω環與管板的焊縫構成沖刷。由此可見，Ω環與管板焊縫上部的受力狀態和介質溫度都較下部苛刻，并且存在連多硫酸應力腐蝕環境[4]，在外部拉應力和焊縫殘余應力共同作用下，加速由敏化區晶間腐蝕引發的Ω環與管板焊縫沿熔合線開裂。

E01A使用至今沒有發生E01C的Ω環與管板焊縫上部開裂以及管束腐蝕等問題，得益于管束選用321，尤其是管板選用321利于Ω環的焊接，避免與CrMo異種鋼焊接易產生裂紋等缺陷的可能性，當然E01A不存在連多硫酸應力腐蝕環境。若E01C管束材料也選用321，則有益于管板與Ω環的焊接（見圖6），同時在使用中控制發生連多硫酸應力腐蝕環境。

圖4 Ω環與管板1焊接

圖5 Ω環與管板2焊接

圖6 Ω環與管板3焊接

5 結束語

Ω環焊接密封結構U形管式換熱器在煉化裝置加氫精制中廣泛應用，但由于換熱器設計時沒有考慮銨鹽結晶及注水溶解，引起了使用中諸如管箱隔板開裂、U形管束換熱管銨鹽垢下腐蝕泄漏，直至Ω環與管板焊縫應力腐蝕開裂等問題。對此，應從優化工藝流程、停工檢修時防腐措施、設計改進等方面進行完善，控制氯化物或硫化物的應力腐蝕。

1）合理優化工藝過程和停工檢修時的腐蝕防護，如提高管程出口溫度高于銨鹽結晶溫度，或在管程加設注水（控制Cl-含量）管線適時化解銨鹽結晶，避免因間歇停工注水開啟管箱進口時空氣的進入而產生連多硫酸；

2）E01C管束選用321；

3）增加管箱底部支撐。