煉油裝置空冷器泄漏原因分析及控制措施

李春蘭

(蘭州蘭石能源裝備工程研究院有限公司)

空冷器是煉油裝置中重要的換熱設(shè)備，隨著近年來我國石化工業(yè)突飛猛進(jìn)的發(fā)展，空冷器需求量劇增。但國內(nèi)加工高硫原油的劣質(zhì)化和復(fù)雜化導(dǎo)致空冷器的泄漏問題也非常嚴(yán)重，尤其是加氫裝置的高壓空冷器，其泄漏率占整體在用空冷器的90%以上。高壓空冷器的運(yùn)行環(huán)境苛刻，高壓、高溫、工藝介質(zhì)易燃易爆、腐蝕性強(qiáng)是引起泄漏的主導(dǎo)因素?？绽淦鳑]有殼體，承壓部件(管束)直接暴露在外，一旦發(fā)生泄漏，輕則造成現(xiàn)場非計劃停工檢修，影響生產(chǎn)；重則工藝介質(zhì)泄放到空氣中，不但污染大氣，還會引起其他嚴(yán)重后果，給石化企業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失。筆者針對空冷器泄漏原因進(jìn)行分析并提出解決方法。

1 空冷器腐蝕機(jī)理及影響因素

高壓空冷器的操作介質(zhì)為反應(yīng)產(chǎn)物，介質(zhì)組分和操作條件為：

空冷器型號 GP9×3-6-193-17.0S-23.4/DR-Ⅲt

工藝介質(zhì) 油氣、水、H2(86% )、H2S、NH3、Cl-

設(shè)計壓力 17.0MPa

操作壓力 15.6MPa

設(shè)計溫度 250℃

進(jìn)/出口操作溫度 135～210℃(最高230℃)/60℃

其中，H2S、NH3和Cl-可反應(yīng)生成銨鹽NH4Cl和NH4HS，空冷器的操作溫度正好處于銨鹽的結(jié)晶溫度。如果沒水或水很少，這些結(jié)晶會很快引起換熱管的堵塞。為了防止堵塞，一般要在空冷器前端注水，這樣可有效阻止結(jié)垢，但卻變成了腐蝕性較強(qiáng)的銨鹽溶液，由堵塞變成了腐蝕，甚至形成電化學(xué)垢下腐蝕及沖刷腐蝕。影響腐蝕速度的因素有：

a. 流體腐蝕系數(shù)。國際上定義腐蝕系數(shù)為H2S和NH3的氣相摩爾分?jǐn)?shù)的乘積，當(dāng)腐蝕系數(shù)大于0.02時，腐蝕開始；腐蝕系數(shù)大于0.2時，腐蝕會很嚴(yán)重。

b. 介質(zhì)流速。在碳鋼管內(nèi)，當(dāng)有NH4HS時會在管內(nèi)壁形成硫化鐵保護(hù)膜，但其附著力不強(qiáng)，如果介質(zhì)流速過高，會沖掉這層保護(hù)膜，加重局部腐蝕。

2 空冷器泄漏的原因分析

2.1 管頭泄漏

管子與管板連接處應(yīng)力大，介質(zhì)中的濕H2S在一定的溫度條件下發(fā)生應(yīng)力腐蝕引起泄漏。空冷器管頭在管箱內(nèi)部，管頭焊接后如果有較深的焊接缺陷，運(yùn)行中由于壓力較高而產(chǎn)生泄漏。介質(zhì)流速不均勻會對管頭造成沖刷腐蝕，致使管壁減薄引起泄漏。

2.2 絲堵泄漏

空冷器絲堵數(shù)量與管孔一樣多，據(jù)調(diào)查80%的空冷器泄漏發(fā)生在絲堵部位。絲堵材料多為棒料，絲堵六角頭需鍛壓成型。棒料加熱鍛制六角頭時，如果鍛造加熱溫度控制不嚴(yán)，終鍛溫度較低，尤其是鎳基合金材料，在塑性較差時發(fā)生鍛造形變，致使裂紋產(chǎn)生甚至?xí)a(chǎn)生貫穿性缺陷。

2.3 絲堵墊片密封不好

絲堵墊片密封不好的原因有：

a. 管箱絲堵孔的密封面與孔中心的垂直度和密封面表面粗糙度控制不嚴(yán)；

b. 絲堵與絲堵孔螺紋配合精度不合理；

c. 絲堵與墊片壓緊處尺寸配合不好；

d. 墊片表面粗糙度沒達(dá)到圖紙要求，墊片偏薄，壓緊后沒有回彈力；

e. 管箱絲堵板硬度、絲堵硬度、墊片硬度之間的匹配未滿足設(shè)計要求，而且墊片材料硬度也不均勻，個別硬度大，絲堵無法壓緊；

f. 管箱焊接變形較大，在鉆孔過程中由于內(nèi)應(yīng)力釋放使得絲堵孔偏心，或加工的絲堵墊片凹槽深淺不一，以致在絲堵緊固過程中不能對中，造成墊片變形不均勻或凸出凹槽，起不到密封作用。

2.4 材料耐蝕性差

根據(jù)對國內(nèi)高壓空冷器使用情況調(diào)查，2007年以前空冷器主體材料為碳鋼和低合金鋼(板：Q245R、Q345R；管：10#、20#無縫鋼管)，當(dāng)時加工的原油質(zhì)量好，設(shè)備使用沒有任何問題。但之后加工高硫原油，85%以上設(shè)備均發(fā)生過發(fā)生泄漏。

3 控制措施

除了在工藝方面采用前期注水及加設(shè)脫硫設(shè)施等手段，空冷器設(shè)備方面的解決方法還有以下幾種。

3.1 空冷器選型布置

在空冷器工藝選型計算時，根據(jù)介質(zhì)組分，確定管程數(shù)以控制流速。一般碳鋼空冷器，流速為4～6m/s。對于高合金材料(NS1402)，流速為7～9m/s，不但充分發(fā)揮合金材料良好的耐腐蝕性能，還可以提高傳熱效果，減少空冷器的數(shù)量，節(jié)省投資。

計算確定空冷器數(shù)量時，選擇偶數(shù)對稱布置安裝，使得每臺空冷器管束之間油、水和氣相均勻分配，保證流速也相對一致。

3.2 空冷器選材

為解決腐蝕問題，在2007年以后投用或建造的加氫裝置高壓空冷器被要求主體材料選用Incoloy825(國產(chǎn)為NS1402)鎳基合金，該材料具有優(yōu)良的耐硫化物、氯化物腐蝕性能和加工性能。

由于高合金材料價格昂貴，對于腐蝕不太嚴(yán)重的工況，可以考慮管板采用碳鋼，換熱管采用耐蝕性好的825等耐蝕合金。因為經(jīng)常有管箱腐蝕輕微而管子腐蝕嚴(yán)重的情況，嚴(yán)重時會爆管。這時只需提高管子的材料級別，并在管板內(nèi)側(cè)堆焊與管子相同的材料，保證管子與管板的焊接性能，可以節(jié)約約20%的材料成本。

3.3 絲堵密封結(jié)構(gòu)的設(shè)計改進(jìn)

提高絲堵孔密封面與絲堵孔中心線垂直度的設(shè)計精度。調(diào)整絲堵與墊片、墊片與絲堵孔密封槽的配合尺寸，適當(dāng)加寬接觸面尺寸，加大密封槽的深度，使墊片定位良好，解決墊片安裝時竄動或壓扁跑偏的問題。設(shè)計中合理選擇絲堵孔螺紋與絲堵螺紋的配合精度。尤其對高合金材料，螺紋的配合不能過緊，否則易出現(xiàn)咬死現(xiàn)象，影響密封。適當(dāng)增加墊片厚度，過去多用1.2mm，現(xiàn)改用1.5～2.0mm，以增加其承受絲堵的旋壓能力，強(qiáng)化密封效果。

3.4 絲堵和墊片材料控制

絲堵和絲堵墊片材料選擇要匹配。最好選擇同類型材料，保證熱膨脹一致。材料的硬度匹配原則為：管箱板>絲堵>墊片，而且每兩者之間的硬度差最低為HB20。對于825合金材料空冷器，材料均相同，幾乎沒有硬度差，需要通過熱處理來降低硬度，但達(dá)到理想的硬度差較困難。對825高合金材料絲堵，可采用固溶處理的棒料加工，一方面提高絲堵硬度，另一方面避免合金材料再加熱，防止產(chǎn)生裂紋。

采購墊片材料時可通過控制碳含量小于0.03%來保證墊片硬度較小。

3.5 絲堵密封結(jié)構(gòu)的加工及管箱焊接控制

提高絲堵孔密封面與絲堵孔中心線垂直度和螺紋的加工精度，最好采用數(shù)控鉆床加工。絲堵墊片一般采用沖壓成型，但沖壓后毛刺較多，應(yīng)使用專用工具對墊片表面研磨去除毛刺，表面粗糙度完全達(dá)到圖紙要求，密封效果好。如用棒料加工墊片，其平面度和表面粗糙度更好，但加工費(fèi)時。

空冷器管箱主焊縫很長，焊接時應(yīng)采取合理的焊接方向、焊接順序以及較低的熱輸入量等有效措施控制變形，保證絲堵板的平面度。

3.6 管頭泄漏的控制

3.6.1加強(qiáng)管頭連接

在空冷器制造中管子與管板的連接均采用焊脹結(jié)合的形式，尤其在高壓空冷器中，管頭一般采用填絲自動焊技術(shù)，先熔化焊再填絲焊，保證管頭焊接強(qiáng)度。管頭焊完后，采用柔性的液壓脹進(jìn)行貼脹，脹度應(yīng)小于2%，避免過脹影響管頭焊接質(zhì)量。

3.6.2管頭焊接應(yīng)力控制

通常管頭焊后會有較大的焊接應(yīng)力，尤其是碳鋼或鉻鉬鋼，管頭焊后要進(jìn)行熱處理以消除應(yīng)力，以降低腐蝕傾向。如果沒有熱處理的條件，可用鎳基焊材施焊，但應(yīng)有焊接工藝保證。對于825合金材料的焊接，一定要保證管頭的清潔，控制焊接電流及速度。

3.6.3增加管端襯管

為防止管頭被介質(zhì)沖蝕，對于碳鋼管束，可在介質(zhì)進(jìn)口端增加不銹鋼或鈦鋼襯管，襯管尾部應(yīng)有過渡段，避免流體在此形成渦流，腐蝕基管。

3.7 檢驗控制

檢驗控制的要點有：

a. 逐個對絲堵表面進(jìn)行100%PT檢測，包括螺紋部位，尤其是兩端面作重點檢測，堅決杜絕棒料芯部缺陷；

b. 加強(qiáng)絲堵和絲堵孔螺紋加工后的檢驗是關(guān)鍵，對螺紋應(yīng)逐個用通規(guī)和止規(guī)進(jìn)行檢查，并檢查密封面平面度；

c. 管頭焊接完畢后應(yīng)將管束整體放入水槽中，管內(nèi)通以0.175MPa的壓縮空氣做致密性試驗，對管頭進(jìn)行檢漏，合格后再進(jìn)行脹接；

d. 管子脹接完后應(yīng)對管頭進(jìn)行100%滲透檢測，管頭表面應(yīng)無裂紋；

e. 空冷器制造完畢，應(yīng)整體進(jìn)行水壓試驗，對高合金材料制造的空冷器應(yīng)控制水中氯離子含量(小于0.015‰)，檢查管頭及絲堵的密封性能，水壓試驗合格后，還應(yīng)進(jìn)行氣密性試驗或加入一定量的氦氣，以增加檢驗的靈敏度，在水槽進(jìn)行，再次檢查空冷器的整體密封情況。

4 結(jié)束語

通過對空冷器易泄漏部位的分析及關(guān)鍵材料的選擇、密封結(jié)構(gòu)的改進(jìn)、焊接工藝、加工方法及各檢驗過程控制，可以有效解決煉油裝置空冷器的泄漏問題。確保煉油裝置高壓空冷器長周期安全運(yùn)行。