一臺高壓換熱器失效分析

王 露

一臺高壓換熱器失效分析

王 露

（上海河圖工程股份有限公司，上海 201203）

某煉廠柴油加氫裝置一臺高壓換熱器開工10個月時出現幾乎沒有換熱效果的問題，結合生產時的運行參數及現場檢修情況對換熱器的失效原因進行分析。結果表明：油品的結焦積垢導致殼程堵塞，從而引起該換熱器失效。通過對該換熱器失效原因的分析，為避免出現類似問題積累經驗。

柴油加氫；高壓換熱器；失效分析；結焦積垢

筆者單位為某煉廠設計的200萬t·a-1柴油加氫裝置，運行10個月左右接到業主反饋問題，一臺高壓換熱器（反應器產物-加氫精制原料換熱器Ⅰ）開工不久后即出現換熱效果差，近期監測的數據顯示幾乎沒有換熱效果，從而導致整個裝置生產負荷不足，請筆者單位協助分析原因并給出處理方案。

高壓換熱器操作工況苛刻，投資高，對整個裝置的生產起著至關重要的作用。高壓換熱器失效的原因也多種多樣，主要有介質腐蝕或沖蝕導致換熱管穿孔引起的失效，高壓換熱器分程隔板等內部結構件損壞引起的失效，介質堵塞設備引起的失效以及密封失效等。本文結合設備運行的參數及現場檢修的實際情況，對該換熱器失效的原因進行詳細分析，并提出了避免類似問題發生的處理措施。

1 裝置及設備的基本情況

1.1 裝置工藝流程簡介

與該設備相關的工藝流程簡述如下：原料油由兩路進裝置，一路為加氫改質原料，由催化柴油及部分直餾柴油組成，經過原料油自動反沖洗過濾器除去大于20 μm的固體顆粒，進入加氫改質原料油緩沖罐，再經進料泵（P-102AB）升壓至13.4 MPa，經反應器產物-加氫改質原料換熱器（E-102）及加熱爐升溫，加熱至反應所需溫度后進入加氫改質反應器（R-101）。另一路為加氫精制原料，為直餾柴油，經過原料油自動反沖洗過濾器除去大于20 μm的固體顆粒，進入加氫精制原料油緩沖罐，再經進料泵（P-104AB）升壓至12.4 MPa，經反應器產 物-加氫精制原料換熱器Ⅰ（E-101）及反應器產 物-加氫精制原料換熱器Ⅱ（E-103）升溫并與加氫改質反應器（R-101）的出口流出物混合后進入加氫精制反應器（R-102），反應產物經3臺高壓換熱器（E-101、E-102、E-103）冷卻后進入后續流程。上述工藝流程的簡圖見圖1。

圖1 工藝流程簡圖

1.2 設備的基本情況

1.2.1 設備的設計參數

失效換熱器為反應器產物-加氫精制原料換熱器Ⅰ（E-101），該換熱器為一臺高高壓螺紋鎖緊環U形管換熱器，管程介質為加氫改質反應產物，殼程介質為加氫精制原料油（直餾柴油）。該換熱器公稱直徑1 000 mm，換熱管直段長度為6 000 mm，管程、殼程均為2程，詳細的換熱器的設計參數見 表1，換熱器簡圖見圖2。

圖2 換熱器（E-101）簡圖

表1 換熱器（E-101）設計參數

1.2.2 現場運行參數

業主反饋了現場測得的壓力、溫度的運行參數，詳見表2。

表2 換熱器（E-101）運行參數

2 初步分析

根據現場反饋的運行參數，管程進出口溫差約5.4 ℃，進出口壓降約0.068 MPa，殼程進出口溫差約8.6 ℃，進出壓降約1.802 MPa。筆者單位工藝專業首先排除了工藝流程和換熱計算的問題，設備專業分析如下：

1）從選材上看，該換熱器管程殼體材質為12Cr2Mo1(H)鍛堆焊不銹鋼，管束選用不銹鋼，殼程殼體材質為15CrMoR，選材滿足要求，排除材質腐蝕問題導致的換熱器失效。

2）從溫度變化上看，該換熱器殼程設計溫升應為157 ℃（進口113 ℃、出口270 ℃），而實際只有8.6 ℃，幾乎沒有換熱效果。導致換熱器沒有換熱效果的原因通常考慮是殼程或管程短路。換熱器內部結構件失效或是管、殼程堵塞均會使得管、殼程短路。其一，從內部結構件失效考慮，該換熱器管程、殼程均為2程，螺紋鎖緊環換熱器內部結構復雜，且設備工況苛刻，操作壓力、操作溫度均較高，管、殼程進出口又在同一軸線位置，若管、殼程分程隔板結構密封失效，則管、殼程短路。其二，管、殼程如果存在介質堵塞也會影響換熱器的換熱效果。

3）從壓降變化上看，管程壓降正常，而殼程壓降過大，殼程原料油可能結焦積垢。

從以上的初步分析可以看出，如果現場反饋數據無誤的話，導致換熱器幾乎沒有換熱效果的原因可能是殼程結焦積垢。將初步分析結果匯報給業主，業主停工檢修這臺換熱器。

3 現場檢修

換熱器的管箱螺紋鎖緊環打開后，發現管程的分程隔板、分程箱等均完好。繼續將管束抽出后，該換熱器失效的原因就一目了然了，為殼程結垢堵塞導致，換熱器現場照片見圖3、圖4。

圖3 換熱器現場照片一

圖4 換熱器現場照片二

4 原因分析

4.1 直接原因分析

從圖3、圖4可以看出，換熱管束之間的空隙幾乎被完全堵塞。該換熱器為雙殼程，殼體中間設置分程隔板，介質為下進上出，原料油沖開分程隔板的密封條后（從圖4可以看出，殼程分程隔板密封條變形嚴重，原密封條應是向下彎曲，實際的密封條變形為向上彎曲。殼程分程隔板密封條設計結構詳見圖5），直接從上部出口流出。殼程介質堵塞短路導致了這臺換熱器失效。

圖5 殼程密封條設計結構

4.2 根本原因分析

觀察實物可以發現，換熱器殼程有大量的沉積物附著在換熱管束上，有較硬的層狀物。柴油原料油品的結焦積垢是導則這臺換熱器失效的根本原因。

柴油的結焦結垢與原料的油品性質、組成密切相關，還跟工藝流程及操作有很大關系，根據文獻，柴油油品結焦積垢主要有以下原因：

1）柴油加氫原料主要由二次加工柴油組成，烯烴、二烯烴等不飽和化合物含量較高，尤其是二烯烴，受熱后易發生Diels-Alder環化反應和聚合反應生成大分子化合物，這些大分子化合物沉積在換熱器表面，容易造成換熱器結垢。

2）在原料的儲存和生產過程中，原料與空氣中的氧接觸，使其含有一定的溶解氧，在較高的溫度下，溶解氧和原料中的硫、氮等雜原子分解生產活性自由基，引發自由基鏈反應，形成高分子聚合物縮合生焦，堵塞下游設備。

3）柴油加氫裝置經常摻煉焦化汽油、焦化柴油，焦化汽油、焦化柴油中除不飽和烴類含量較高外，還含有少量細小焦粉，這些小焦粉具有很強的吸附性，易于在聚合反應中形成有機大分子化合物粘結在一起，使焦垢顆粒逐漸長大，當其長大到物流不能攜帶其繼續向前時就沉積在設備表面。

4）原料油在反應器內反應溫度不均勻局部升溫，也可能生焦，堵塞下游換熱器。

5）原料油未設置過濾器或過濾器失效，也有可能堵塞下游設備。

5 結 論

柴油原料的結焦積垢是導致這臺高壓換熱器失效的根本原因，可以從以下幾個方面采取措施加以控制。

1）嚴格控制原料油品的質量。原料油中的烯烴、二烯烴、雜質含量應嚴格控制，油品質量差時考慮設置加氫原料預處理，抑制油品的結焦積垢。

2）加強對原料油品儲存、運輸等方面的管理。料儲罐采用氮封，避免原料油與氧氣接觸。

3）摻煉油品應經過嚴格論證，尤其摻煉焦化汽油、焦化柴油時，應引起格外注意。

4）反應器選擇合適的催化劑，并控制合理的空速及停留時間、氫氣補給量，采用設計合理的反應器內件，避免反應器溫升不均勻，避免局部高溫，從而避免原料油在反應器內生焦。

5）使用自動反沖洗過濾器，加強對過濾器的運行管理并監控過濾器的使用效果。

6）選擇使用合適的阻垢劑。

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Failure Analysis of a High Pressure Heat Exchanger

(Shanghai Hoto Engineering Inc., Shanghai 201203, China)

A high pressure heat exchanger in a diesel hydrogenation unit of a refinery had almost no heat exchange effect after 10 months of operation. Combined with the operation parameters and on-site maintenance situation, the failure reason of the heat exchanger was analyzed. The conclusion was that the coking and fouling of the oil led to the blockage of the shell side, which caused the failure of the heat exchanger. Through the analysis of the failure reasons for the heat exchanger, some experience has been accumulated to avoid similar problems.

Diesel hydrogenation; High pressure heat exchanger; Failure analysis; Coking and fouling

2021-09-05

王露（1982-），女，河南省淮濱縣人，工程師，2005年畢業于鄭州輕工業大學，研究方向：石油化工設備設計。

TQ051.5

A

1004-0935（2022）03-0367-04