加氫高壓換熱器失效原因分析及處理措施

宋麗麗

（玉門油田分公司煉油化工總廠，甘肅 玉門 735200）

70 萬噸/年柴油加氫精制裝置由寰球工程公司遼寧分公可設計，采用柴油深度加氫脫硫技術，工藝按撫順石油化工研究院開發的PHF-102 柴油加氫精制健化劑設計。裝置由反應、分餾以及公用工程部分組成，于2013 年12 月完成成設計，2014 年9 月建成，于2014 年10 月投產。反應產物/低分油換熱器 E-102（以下簡稱E102）于2014 年7 月由鎮海石化建安工程有限公司制造，中油六建進行現場安裝，2014 年11 月投用生產，在前期投運過程中運行正常。

E102 在2018 年5 月7 日、7 月10 日、7 月16 日先后發生3 次泄漏，本文重點對2018 年7 月16 日換熱器的泄漏現象、泄漏原因、處理措施三方面進行論述。

1 泄漏現象描述

該臺換熱器為立式換熱設備，規格型號：DN1340 H ≈12271。2018 年5 月7 日、2018 年7 月10 日先 后 出 現E102出現泄漏的情況，第一次泄漏換熱管1 根，堵管1 根，從現場打開的情況看管板處很干凈，無結鹽現象。第二次泄漏換熱管1 根，堵管3 根（其中1 根為漏管，為防止管程截止從漏管裂口處噴出，可能對周邊換熱管造成沖刷，和鎮海石化討論后對可能在同一管卡處的會繼續發生泄漏的兩個管進行堵管處理，故對漏管兩側存在隱患的2 根換熱管一并堵管，打開檢查發現上次泄漏管束旁另一根管束泄漏，從現場打開的情況看管板處很干凈，無結鹽現象。

2018 年7 月16 日22：24 分左右，70 萬噸/年柴油加氫精制置系統壓力由7.0MPa 緩慢降至5.4MPa，期間檢查新氫壓縮機K-101/A 現場運行正常，查看新氫流量趨勢穩定，塔頂回流罐壓控閥PIC-20201 閥位由24%快速上漲至62%，塔頂不凝氣外排流量FIQ-20203 由400Nm3/h 漲至800Nm3/h(已超過該表最大量程)，E-102 殼程出口壓力PI-10901 在22：24 分后開始波動，據以上因素分析判斷E102 管束發生第三次泄漏（發生第三次泄漏后，車間制定監護運行措施）。

2 泄漏原因分析

2.1 換熱器參數

反應產物/低分油換熱器（E102）為纏繞管式換熱器，制造工藝特殊且復雜，換熱管長度長，對換熱管產品的技術和品質要求高很多，于2013 ～2014 年7 月間制造，按技術協議和《換熱器數據表》的要求，換熱管選用S22053 雙相鋼無縫鋼管。

2.2 工藝流程

來自加氫精制反應器(R-101)的反應產物，經反應產物-混氫油換熱器(E-101)、反應產物-低分油換熱器（E-102）換熱后，經反應產物空冷器（A-101）冷卻，進入冷高壓分離器(V-102)。在冷高壓分離器(V-102)中進行氣、油、水三相分離。為了防止反應流出物中的銨鹽（NH4HS）在低溫部位析出，通過反應產物注水泵(P-102)將除氧水注至反應產物-低分油換熱器(E-102)上游側和反應產物空冷器（A-101）上游側以溶解反應產生的NH4HS。

2.3 管束泄漏原因分析

換熱器管束泄漏發生主要有三方面原因，根據前兩次堵漏時宏觀檢查發現，管束、管板位置干凈、光亮，無明顯腐蝕或結垢等現象存在，據此排除介質腐蝕造成管束泄漏可能，原因初步判斷為制造缺陷、工藝操作導致熱管破裂或穿孔。

2.3.1 直接原因

2.3.1.1 制造缺陷

（1）在此次現場查漏時，通過內窺鏡檢查了管口至繞出端起彎點的全部管段，確認在此范圍內無漏點，可排除此根換熱管繞出端處管箍安裝位置不當的可能。（2）泄漏若是由于換熱管在熱應力和振動等外力作用下，與管箍產生刮擦而造成的損傷所致，則會在較短時間內發生失效。而運行長達30000 小時后，由于管子管箍相互刮擦造成損傷而發生換熱管失效的可能性相對要小得多。（3）纏繞管在繞制過程中過度彎曲形成的原始隱患，在操作條件不穩定情況下，因疲勞積累，導致缺陷擴展，致使管子斷裂。（4）該換熱器是由多組纏繞成螺旋狀的管子置于殼體之中制成的，屬于纏繞管立式換熱器。它的特點是結構緊湊、傳熱面積比直管大，溫差應力小。此結構大大增加了管束間相互摩擦磨損的可能性。

2.3.1.2 工藝操作的影響

正常生產，由于工藝需要壓力、溫度等工藝參數定期要做出調整，加之操作人員技能水平等因素會對設備造成一定的沖擊。裝置兩次搶修工期短，開停工過程中壓力管網不穩定，在氣流沖擊下,對管子彎曲段反復撞擊，使管子破裂或穿孔。

3 處理措施

通過上述分析得知，判斷柴油精制裝置反應產物/低分油換熱器 E-102 發生泄漏的可能是由于雙相鋼管換熱管本身引起的失效。通過同鎮海石化協商，廠家將無償對E102 進行賠償，并根據泄漏情況，做好制造過程中的質量把控。裝置維持運行至2019 年5 月22 日完成反應產物/低分油換熱器E-102 整體更換，新設備替換安裝，檢修后在投用正常，原設備拆除，拉回廠家解體分析。

3.1 解體檢查情況

（1）E102于2019年6月10日拉回，對設備表面進行清理，對管殼程進行充氮保護后待解體。（2）2019 年6 月15 日，對E102 進行氣密性試驗查漏，確定1 根換熱管出現泄漏，且漏量較大，對此管進行標記后封堵。此后，采用氨滲漏試驗未查出其他換熱管泄由此判斷此根換熱管泄漏為E102 第三次泄漏的原因。（3）2019 年6 月22 日正式開始對E012 進行解體、抽芯、換熱管拆解及取樣工作：在拆解至芯體第13 層時，發現裝置現場前后二次堵管的4 根換熱管及拉回后找到的1 根漏管均為第12 層，其中3 根換熱管各有1 處裂口。經確認此3 根換熱管即為之前運行時導致三次泄漏的3 根漏管。3 根換熱管的裂口位置均位于芯體中部。（4）對第12 層的其他換熱管（包括第2 次泄漏保護性堵管的2 根未漏管子）進行0.9MPa 氣壓、28MPa 水壓試驗，均未發現泄漏。

3.2 換熱管取樣分析

（1）對12 層3 根漏管分別在裂口處、距裂口0.3m 和5.0m 左右取樣，分別編號12-1、12-2、12-3，斷口平齊，斷口附近未發現明顯腐蝕現象；為保證分析的完整性，對其他未漏換熱管，即15 層未裂管編號15-1，隨機在類似位置取2 處進行對比，未發現明顯腐蝕現象。（2）漏管裂口處金相組織異常，鐵素體含量很低，且部分已轉化為脆性相；換熱管外壁鐵素體含量低至5%～6%，組織為奧氏體+晶界分布少量鐵素體和碳化物；換熱管芯部鐵素體含量約10%，組織為奧氏體+少量鐵素體和碳化物，部分鐵素體轉化為脆性相。對3 根泄漏管裂口附件取樣進行硬度檢測，硬度為240～280HB 不等，且很不均勻。（3）距漏管裂口0.3m 左右換熱管進行鐵素體檢測，情況有所改善，鐵素體含量約為15%～20%。（4）距漏管裂口5.0m 左右換熱管金相組織趨于正常，組織為奧氏體+（28%～35%）鐵素體+少量碳化物，鐵素體略不均，未見明顯脆性相，換熱管外壁和芯部組織略有差異但無本質區別。（5）對其他層未斷裂換熱管同部位取樣分析，金相組織為奧氏體+鐵素體雙相組織，鐵素體分布略有不均，含量約35 ～45% ；此位置取樣進行硬度檢測，硬度為210HB左右，且分布均勻。（6）上述所取試樣進行宏觀檢驗，內、外壁均未發現明顯的均勻腐蝕或點蝕現象；3 根裂管的裂口處未見明顯腐蝕情況，斷裂形式為脆性斷裂，無塑性變形跡象。

4 結語

綜合上述情況，E102 的泄漏原因分析如下：

換熱管斷裂處組織異常，硬度較硬且分布不均勻，斷裂處先出現小裂紋，后在外力作用下擴展脆性斷裂。

結論：E102 泄漏是由換熱器管束質量問題引起。該批換熱管雖為當時國內最好之一的無縫管制造廠家生產，但是，換熱管生產過程品質管控仍然存在漏洞，出現了質量不穩定的情況。