高壓換熱器密封環(huán)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(zé)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(yīng)產(chǎn)物與原料油換熱，原料油自裝置外罐區(qū)由泵送至裝置界區(qū)，經(jīng)過反沖洗過濾器SR1101 過濾后進(jìn)入濾后原料緩沖罐D(zhuǎn)1101，再由反應(yīng)進(jìn)料泵P1102 抽出升壓后與循環(huán)氫混合，與加氫精制反應(yīng)產(chǎn)物通過換熱器E1103B 進(jìn)行換熱，進(jìn)入高壓分離器D1103，在高壓分離器中進(jìn)行氣、油、水三相分離。其密封結(jié)構(gòu)為Ω環(huán)密封，管程材質(zhì)為15CrMo+堆焊，321（管束），殼程材質(zhì)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(huán)多次泄漏，嚴(yán)重影響裝置的安全平穩(wěn)運(yùn)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(shí)聞到有較濃的油氣味，利用攜帶可燃?xì)怏w報(bào)警器、硫化氫報(bào)警儀查找泄漏點(diǎn)，逐一排查4 臺(tái)換熱器泄漏，檢查到E1103B 時(shí)，發(fā)現(xiàn)高壓換熱器E1103B 周圍有可燃?xì)怏w在報(bào)警，仔細(xì)檢查該換熱器時(shí)發(fā)現(xiàn)該換熱器浮頭上部泄漏。當(dāng)時(shí)浮頭頂部有煙霧出現(xiàn)，仔細(xì)查看發(fā)現(xiàn)是換熱器浮頭Ω 密封環(huán)本體上有一裂紋，泄漏介質(zhì)為高溫柴油、汽油、氫氣、硫化氫等物質(zhì)的混合物。

1.2 原因分析

（1）Ω環(huán)結(jié)構(gòu)

換熱器E1103B 管板2 側(cè)壓力相近，管殼程均采用Ω環(huán)密封結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 Ω環(huán)密封結(jié)構(gòu)

Ω 環(huán)密封結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：①組焊時(shí)要求高度對中，錯(cuò)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(jié)構(gòu)限制，Ω 環(huán)殼焊接有難度；③內(nèi)部存在空腔，易積液［2]。介質(zhì)自Ω密封環(huán)拼接縫進(jìn)入空腔后在空腔內(nèi)沉積，積液在密度差和重力的作用下分層，上層為經(jīng)過加氫反應(yīng)的汽油，下部為較高硫化氫濃度的反應(yīng)生成水。硫化氫在下層水溶液中凝縮，為硫化氫應(yīng)力腐蝕提供腐蝕環(huán)境；另外，Ω 密封環(huán)材質(zhì)為奧氏體不銹鋼0Cr18Ni10Ti，在硫化氫腐蝕環(huán)境中存在應(yīng)力腐蝕（SCC）敏感性［3]。

（2）焊接質(zhì)量分析

在焊接時(shí)管板與原Ω 環(huán)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(huì)出現(xiàn)滲碳層，在焊接時(shí)很容易產(chǎn)生裂紋缺陷。該換熱器返廠維修次數(shù)較多，每次維修都需要將Ω 環(huán)切割后重新焊接，反復(fù)切割焊接導(dǎo)致公母環(huán)間距增大，Ω環(huán)與管板的裝配精度也隨之降低。壓緊組裝時(shí)由于工具不合適或者壓緊力變化導(dǎo)致錯(cuò)邊量隨機(jī)增加，不能完全滿足Ω 環(huán)兩瓣錯(cuò)邊量≤0.5 mm 的要求，致使焊接部位應(yīng)力比較集中。其次，Ω 環(huán)與管板的裝配精度降低會(huì)給施焊帶來較大難度，焊縫焊接質(zhì)量很難保證。

（3）工藝腐蝕分析

E1103B 管程的介質(zhì)為反應(yīng)產(chǎn)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(jìn)出口易形成NH4Cl 和NH4HS 2 種結(jié)晶鹽，其中NH4Cl 的結(jié)晶溫度大約在160～220 ℃，而NH4HS 的結(jié)晶溫度大約在120 ℃。換熱器正常投入使用時(shí)NH4Cl 和NH4HS 結(jié)晶鹽則通過換熱器進(jìn)入Ω 環(huán)空腔內(nèi)，使Ω 環(huán)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(yīng)力促進(jìn)硫化氫應(yīng)力腐蝕開裂導(dǎo)致Ω 環(huán)密封泄漏。工藝注水量過小也會(huì)導(dǎo)致Ω 環(huán)腐蝕開裂。管程介質(zhì)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(dǎo)致介質(zhì)中氯離子的濃度升高，增加了奧氏體不銹鋼在氯離子環(huán)境下的應(yīng)力腐蝕速率。

（4）螺栓預(yù)緊力分析

螺栓的預(yù)緊力分為最小預(yù)緊力和最大預(yù)緊力。螺栓預(yù)緊的目的在于增強(qiáng)連接的可靠性和緊密性，以防止受載后被連接件間出現(xiàn)縫隙或發(fā)生相對滑移，同時(shí)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(yù)緊力的施加與控制就顯得十分重要。過大或過小的預(yù)緊力都會(huì)對Ω環(huán)密封產(chǎn)生不利影響。螺栓預(yù)緊力過大，密封墊片會(huì)被壓潰而失去彈性，甚至可能會(huì)將螺栓擰斷，螺栓預(yù)緊力不足，導(dǎo)致Ω 環(huán)在內(nèi)壓的作用下受到軸向拉力，會(huì)造成Ω 環(huán)角焊縫及環(huán)焊縫開裂，導(dǎo)致泄漏發(fā)生。

Ω 環(huán)自身結(jié)構(gòu)缺陷，維修焊接質(zhì)量問題，工藝操作調(diào)整，螺栓預(yù)緊力過大或不足等都是造成換熱器Ω環(huán)泄漏的原因。

2 改造措施

2.1 Ω環(huán)改造

該次改造在原Ω 密封環(huán)的基礎(chǔ)上，經(jīng)過強(qiáng)度校核將Ω密封環(huán)改造為焊唇式密封，見圖2。

圖2 密封改造前后現(xiàn)場實(shí)物對比圖

焊唇式密封結(jié)構(gòu)簡單、焊接可靠，可有效防止密封泄漏。焊唇式密封的機(jī)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(nèi)壓引起的軸向力，造價(jià)低，密封環(huán)也可多次重復(fù)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(huán)相類似，依然是采用焊接密封，此種但不同點(diǎn)在于Ω 密封環(huán)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(zhì)濃縮空間。與Ω 環(huán)密封形式相比，焊唇密封具有使用周期長、結(jié)構(gòu)可靠，可有效防止密封泄漏的特點(diǎn)。

2.2 工藝改進(jìn)

（1）平穩(wěn)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(yīng)力，降低硫化氫對Ω密封環(huán)的應(yīng)力腐蝕。

（2）嚴(yán)格控制介質(zhì)中的Cl-含量，定期檢查分析介質(zhì)組分，一旦發(fā)現(xiàn)Cl-含量超標(biāo)，及時(shí)調(diào)整介質(zhì)組分配比。加強(qiáng)介質(zhì)的S、N脫除，減少銨鹽結(jié)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(zhì)中的銨鹽，降低介質(zhì)中氯離子的濃度和提高介質(zhì)的pH 值，減弱奧氏體不銹鋼在氯離子環(huán)境下的應(yīng)力腐蝕速率。

（4）裝置停工期間用惰性氣體保護(hù)及化學(xué)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(huì)反應(yīng)產(chǎn)生連多硫酸。所以需要對裝置反應(yīng)系統(tǒng)進(jìn)行充氮保護(hù)，使E1103B 換熱器和其它設(shè)備處于氮?dú)猸h(huán)境，防止腐蝕的發(fā)生。當(dāng)設(shè)備檢修時(shí)需要暴露在大氣環(huán)境下，必須對換熱器整體進(jìn)行清洗，主要是清洗設(shè)備表面產(chǎn)生的連多硫酸，防止發(fā)生再次腐蝕［8]。

2.3 螺栓預(yù)緊力校核

換熱器E1103B 的改造工作是在蘭石機(jī)械哈密分公司完成，考慮到在設(shè)備運(yùn)輸過程中有可能導(dǎo)致螺栓松懈，因此設(shè)備安裝后再次對螺栓進(jìn)行預(yù)緊力校核，根據(jù)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(guī)格為M56×3×770 ，采用HG／T 20582—2011《鋼制化工容器強(qiáng)度計(jì)算規(guī)定》中“無墊片焊接密封法蘭的設(shè)計(jì)和計(jì)算的規(guī)定計(jì)算”螺栓載荷Wp［5]：

式中F—內(nèi)壓引起的總軸向力，N；Fp—操作狀態(tài)下，需要的最小墊片壓緊力，N；DL—受內(nèi)壓部分最大內(nèi)直徑，mm；DL＝600 mm；DG—計(jì)算用的相當(dāng)墊片載荷作用處的直徑，mm；b—計(jì)算用的相當(dāng)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(shù)，焊唇式密封取m＝0。

依據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，采用液壓扳手對換熱器所有螺栓進(jìn)行力矩復(fù)測，發(fā)現(xiàn)個(gè)別螺栓預(yù)緊力嚴(yán)重不足，重新用液壓扳手對換熱器螺栓進(jìn)行對稱液壓上緊。

3 結(jié)束語

鑒于高壓換熱器操作條件的苛刻性，其設(shè)計(jì)、制造及檢驗(yàn)都要求配置單獨(dú)、系統(tǒng)的管理部門及機(jī)構(gòu)，借助專業(yè)儀器和手段，保證設(shè)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(zhì)無泄漏，維持長周期運(yùn)行，對于石油化工行業(yè)的發(fā)展有著深遠(yuǎn)的意義。