高壓換熱器密封環泄漏分析及改造措施

馬文禮，劉俊生，王吉民，肖湘磊，樊安寧

（1.中石油克拉瑪依石化有限責任公司，新疆克拉瑪依834003；2.神華新疆化工有限公司，新疆烏魯木齊831400）

某加氫裝置高壓換熱器E1103B 主要用于反應產物與原料油換熱，原料油自裝置外罐區由泵送至裝置界區，經過反沖洗過濾器SR1101 過濾后進入濾后原料緩沖罐D1101，再由反應進料泵P1102 抽出升壓后與循環氫混合，與加氫精制反應產物通過換熱器E1103B 進行換熱，進入高壓分離器D1103，在高壓分離器中進行氣、油、水三相分離。其密封結構為Ω環密封，管程材質為15CrMo+堆焊，321（管束），殼程材質為15CrMo+堆焊，管殼程操作壓力為8.6/7.7 MPa。該換熱器投用后Ω 密封環多次泄漏，嚴重影響裝置的安全平穩運行［1]。

1 泄漏案例及原因分析

1.1 泄漏案例

2018年5月10 日，操作工夜班巡檢至制加氫裝置高壓換熱處附近時聞到有較濃的油氣味，利用攜帶可燃氣體報警器、硫化氫報警儀查找泄漏點，逐一排查4 臺換熱器泄漏，檢查到E1103B 時，發現高壓換熱器E1103B 周圍有可燃氣體在報警，仔細檢查該換熱器時發現該換熱器浮頭上部泄漏。當時浮頭頂部有煙霧出現，仔細查看發現是換熱器浮頭Ω 密封環本體上有一裂紋，泄漏介質為高溫柴油、汽油、氫氣、硫化氫等物質的混合物。

1.2 原因分析

（1）Ω環結構

換熱器E1103B 管板2 側壓力相近，管殼程均采用Ω環密封結構見圖1。

圖1 Ω環密封結構

Ω 環密封結構特點：①組焊時要求高度對中，錯邊量要求特別小，零件加工及組焊要求較高；②受螺栓干擾，結構限制，Ω 環殼焊接有難度；③內部存在空腔，易積液［2]。介質自Ω密封環拼接縫進入空腔后在空腔內沉積，積液在密度差和重力的作用下分層，上層為經過加氫反應的汽油，下部為較高硫化氫濃度的反應生成水。硫化氫在下層水溶液中凝縮，為硫化氫應力腐蝕提供腐蝕環境；另外，Ω 密封環材質為奧氏體不銹鋼0Cr18Ni10Ti，在硫化氫腐蝕環境中存在應力腐蝕（SCC）敏感性［3]。

（2）焊接質量分析

在焊接時管板與原Ω 環角焊縫切割打磨去除后，對打磨部位焊肉沒有徹底清理。角焊縫若誤用碳弧氣刨加砂輪打磨去除，則焊縫附近會出現滲碳層，在焊接時很容易產生裂紋缺陷。該換熱器返廠維修次數較多，每次維修都需要將Ω 環切割后重新焊接，反復切割焊接導致公母環間距增大，Ω環與管板的裝配精度也隨之降低。壓緊組裝時由于工具不合適或者壓緊力變化導致錯邊量隨機增加，不能完全滿足Ω 環兩瓣錯邊量≤0.5 mm 的要求，致使焊接部位應力比較集中。其次，Ω 環與管板的裝配精度降低會給施焊帶來較大難度，焊縫焊接質量很難保證。

（3）工藝腐蝕分析

E1103B 管程的介質為反應產物油，高溫油氣的主要成分為：柴油、氫氣、硫化氫、氨氣，在換熱器管程進出口易形成NH4Cl 和NH4HS 2 種結晶鹽，其中NH4Cl 的結晶溫度大約在160～220 ℃，而NH4HS 的結晶溫度大約在120 ℃。換熱器正常投入使用時NH4Cl 和NH4HS 結晶鹽則通過換熱器進入Ω 環空腔內，使Ω 環受到硫化物腐蝕及氯離子腐蝕［4]。裝置在開停工期間管程升溫速度快過，溫差應力促進硫化氫應力腐蝕開裂導致Ω 環密封泄漏。工藝注水量過小也會導致Ω 環腐蝕開裂。管程介質中的硫化物、氨氮在8.6 MPa、180～238 ℃條件下生成銨鹽，銨鹽極易溶于水，溶液顯酸性。注水量減小導致介質中氯離子的濃度升高，增加了奧氏體不銹鋼在氯離子環境下的應力腐蝕速率。

（4）螺栓預緊力分析

螺栓的預緊力分為最小預緊力和最大預緊力。螺栓預緊的目的在于增強連接的可靠性和緊密性，以防止受載后被連接件間出現縫隙或發生相對滑移，同時保證受載后由于螺栓伸長以及墊片的松弛，墊片與密封面之間還留有足夠的壓緊力以維持密封［5]。因此，螺栓預緊力的施加與控制就顯得十分重要。過大或過小的預緊力都會對Ω環密封產生不利影響。螺栓預緊力過大，密封墊片會被壓潰而失去彈性，甚至可能會將螺栓擰斷，螺栓預緊力不足，導致Ω 環在內壓的作用下受到軸向拉力，會造成Ω 環角焊縫及環焊縫開裂，導致泄漏發生。

Ω 環自身結構缺陷，維修焊接質量問題，工藝操作調整，螺栓預緊力過大或不足等都是造成換熱器Ω環泄漏的原因。

2 改造措施

2.1 Ω環改造

該次改造在原Ω 密封環的基礎上，經過強度校核將Ω密封環改造為焊唇式密封，見圖2。

圖2 密封改造前后現場實物對比圖

焊唇式密封結構簡單、焊接可靠，可有效防止密封泄漏。焊唇式密封的機理是：不靠壓緊墊片來密封，而是靠對密封元件的封焊來密封。螺栓主要承受內壓引起的軸向力，造價低，密封環也可多次重復使用，可靠性及維修的便利性都是其他密封形式無法比擬的［6]。該種密封形式與Ω 密封環相類似，依然是采用焊接密封，此種但不同點在于Ω 密封環頂部有類似于希臘字母Ω 的空腔，而焊唇式密封不采用此種空腔，而是直接采用堆焊形式，此種密封形式徹底切斷泄漏通道，沒有滯留空腔，徹底消除腐蝕介質濃縮空間。與Ω 環密封形式相比，焊唇密封具有使用周期長、結構可靠，可有效防止密封泄漏的特點。

2.2 工藝改進

（1）平穩操作，控制裝置開停工期間換熱器管程溫度上升速率，減少溫差應力，降低硫化氫對Ω密封環的應力腐蝕。

（2）嚴格控制介質中的Cl-含量，定期檢查分析介質組分，一旦發現Cl-含量超標，及時調整介質組分配比。加強介質的S、N脫除，減少銨鹽結晶。

（3）提高注水量，降低銨鹽濃度［7]。將E1103B管程入口的注水量提高至7.5 t/h 以上（原注水量6.0 t/h），充分溶解介質中的銨鹽，降低介質中氯離子的濃度和提高介質的pH 值，減弱奧氏體不銹鋼在氯離子環境下的應力腐蝕速率。

（4）裝置停工期間用惰性氣體保護及化學清洗。在汽柴油加氫裝置裝置停工后，殘留在換熱器中的硫化物遇水和氧氣會反應產生連多硫酸。所以需要對裝置反應系統進行充氮保護，使E1103B 換熱器和其它設備處于氮氣環境，防止腐蝕的發生。當設備檢修時需要暴露在大氣環境下，必須對換熱器整體進行清洗，主要是清洗設備表面產生的連多硫酸，防止發生再次腐蝕［8]。

2.3 螺栓預緊力校核

換熱器E1103B 的改造工作是在蘭石機械哈密分公司完成，考慮到在設備運輸過程中有可能導致螺栓松懈，因此設備安裝后再次對螺栓進行預緊力校核，根據換換熱器型號BFU950-9.0/9.2-261-4.5/19-2，換熱器大法蘭為DN600，法蘭螺栓規格為M56×3×770 ，采用HG／T 20582—2011《鋼制化工容器強度計算規定》中“無墊片焊接密封法蘭的設計和計算的規定計算”螺栓載荷Wp［5]：

式中F—內壓引起的總軸向力，N；Fp—操作狀態下，需要的最小墊片壓緊力，N；DL—受內壓部分最大內直徑，mm；DL＝600 mm；DG—計算用的相當墊片載荷作用處的直徑，mm；b—計算用的相當墊片有效密封寬度，mm；p—操作壓力，MPa，其中p＝8.6 MPa；m—墊片系數，焊唇式密封取m＝0。

依據上述計算結果，采用液壓扳手對換熱器所有螺栓進行力矩復測，發現個別螺栓預緊力嚴重不足，重新用液壓扳手對換熱器螺栓進行對稱液壓上緊。

3 結束語

鑒于高壓換熱器操作條件的苛刻性，其設計、制造及檢驗都要求配置單獨、系統的管理部門及機構，借助專業儀器和手段，保證設備的可靠性和安全性。因此，保證換熱器在高溫高壓條件下介質無泄漏，維持長周期運行，對于石油化工行業的發展有著深遠的意義。