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(shè)計，采用柴油深度加氫脫硫技術(shù)，工藝按撫順石油化工研究院開發(fā)的PHF-102 柴油加氫精制健化劑設(shè)計。裝置由反應(yīng)、分餾以及公用工程部分組成，于2013 年12 月完成成設(shè)計，2014 年9 月建成，于2014 年10 月投產(chǎn)。反應(yīng)產(chǎn)物/低分油換熱器 E-102（以下簡稱E102）于2014 年7 月由鎮(zhèn)海石化建安工程有限公司制造，中油六建進(jìn)行現(xiàn)場安裝，2014 年11 月投用生產(chǎn)，在前期投運(yùn)過程中運(yùn)行正常。

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

1 泄漏現(xiàn)象描述

該臺換熱器為立式換熱設(shè)備，規(guī)格型號：DN1340 H ≈12271。2018 年5 月7 日、2018 年7 月10 日先 后 出 現(xiàn)E102出現(xiàn)泄漏的情況，第一次泄漏換熱管1 根，堵管1 根，從現(xiàn)場打開的情況看管板處很干凈，無結(jié)鹽現(xiàn)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(zhèn)海石化討論后對可能在同一管卡處的會繼續(xù)發(fā)生泄漏的兩個管進(jìn)行堵管處理，故對漏管兩側(cè)存在隱患的2 根換熱管一并堵管，打開檢查發(fā)現(xiàn)上次泄漏管束旁另一根管束泄漏，從現(xiàn)場打開的情況看管板處很干凈，無結(jié)鹽現(xiàn)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(tǒng)壓力由7.0MPa 緩慢降至5.4MPa，期間檢查新氫壓縮機(jī)K-101/A 現(xiàn)場運(yùn)行正常，查看新氫流量趨勢穩(wěn)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(jù)以上因素分析判斷E102 管束發(fā)生第三次泄漏（發(fā)生第三次泄漏后，車間制定監(jiān)護(hù)運(yùn)行措施）。

2 泄漏原因分析

2.1 換熱器參數(shù)

反應(yīng)產(chǎn)物/低分油換熱器（E102）為纏繞管式換熱器，制造工藝特殊且復(fù)雜，換熱管長度長，對換熱管產(chǎn)品的技術(shù)和品質(zhì)要求高很多，于2013 ～2014 年7 月間制造，按技術(shù)協(xié)議和《換熱器數(shù)據(jù)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(yīng)器(R-101)的反應(yīng)產(chǎn)物，經(jīng)反應(yīng)產(chǎn)物-混氫油換熱器(E-101)、反應(yīng)產(chǎn)物-低分油換熱器（E-102）換熱后，經(jīng)反應(yīng)產(chǎn)物空冷器（A-101）冷卻，進(jìn)入冷高壓分離器(V-102)。在冷高壓分離器(V-102)中進(jìn)行氣、油、水三相分離。為了防止反應(yīng)流出物中的銨鹽（NH4HS）在低溫部位析出，通過反應(yīng)產(chǎn)物注水泵(P-102)將除氧水注至反應(yīng)產(chǎn)物-低分油換熱器(E-102)上游側(cè)和反應(yīng)產(chǎn)物空冷器（A-101）上游側(cè)以溶解反應(yīng)產(chǎn)生的NH4HS。

2.3 管束泄漏原因分析

換熱器管束泄漏發(fā)生主要有三方面原因，根據(jù)前兩次堵漏時宏觀檢查發(fā)現(xiàn)，管束、管板位置干凈、光亮，無明顯腐蝕或結(jié)垢等現(xiàn)象存在，據(jù)此排除介質(zhì)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(dǎo)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(xiàn)場查漏時，通過內(nèi)窺鏡檢查了管口至繞出端起彎點的全部管段，確認(rèn)在此范圍內(nèi)無漏點，可排除此根換熱管繞出端處管箍安裝位置不當(dāng)?shù)目赡?。?）泄漏若是由于換熱管在熱應(yīng)力和振動等外力作用下，與管箍產(chǎn)生刮擦而造成的損傷所致，則會在較短時間內(nèi)發(fā)生失效。而運(yùn)行長達(dá)30000 小時后，由于管子管箍相互刮擦造成損傷而發(fā)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(wěn)定情況下，因疲勞積累，導(dǎo)致缺陷擴(kuò)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(jié)構(gòu)緊湊、傳熱面積比直管大，溫差應(yīng)力小。此結(jié)構(gòu)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(chǎn)，由于工藝需要壓力、溫度等工藝參數(shù)定期要做出調(diào)整，加之操作人員技能水平等因素會對設(shè)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(wǎng)不穩(wěn)定，在氣流沖擊下,對管子彎曲段反復(fù)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(yīng)產(chǎn)物/低分油換熱器 E-102 發(fā)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(zhèn)海石化協(xié)商，廠家將無償對E102 進(jìn)行賠償，并根據(jù)泄漏情況，做好制造過程中的質(zhì)量把控。裝置維持運(yùn)行至2019 年5 月22 日完成反應(yīng)產(chǎn)物/低分油換熱器E-102 整體更換，新設(shè)備替換安裝，檢修后在投用正常，原設(shè)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(shè)備表面進(jìn)行清理，對管殼程進(jìn)行充氮保護(hù)后待解體。（2）2019 年6 月15 日，對E102 進(jìn)行氣密性試驗查漏，確定1 根換熱管出現(xiàn)泄漏，且漏量較大，對此管進(jìn)行標(biāo)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(jìn)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(fā)現(xiàn)裝置現(xiàn)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(jīng)確認(rèn)此3 根換熱管即為之前運(yùn)行時導(dǎo)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(hù)性堵管的2 根未漏管子）進(jìn)行0.9MPa 氣壓、28MPa 水壓試驗，均未發(fā)現(xiàn)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(fā)現(xiàn)明顯腐蝕現(xiàn)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(jī)在類似位置取2 處進(jìn)行對比，未發(fā)現(xiàn)明顯腐蝕現(xiàn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)化為脆性相。對3 根泄漏管裂口附件取樣進(jìn)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(jìn)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(zhì)區(qū)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(jìn)行硬度檢測，硬度為210HB左右，且分布均勻。（6）上述所取試樣進(jìn)行宏觀檢驗，內(nèi)、外壁均未發(fā)現(xiàn)明顯的均勻腐蝕或點蝕現(xiàn)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(jié)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(xiàn)小裂紋，后在外力作用下擴(kuò)展脆性斷裂。

結(jié)論：E102 泄漏是由換熱器管束質(zhì)量問題引起。該批換熱管雖為當(dāng)時國內(nèi)最好之一的無縫管制造廠家生產(chǎn)，但是，換熱管生產(chǎn)過程品質(zhì)管控仍然存在漏洞，出現(xiàn)了質(zhì)量不穩(wěn)定的情況。