一臺(tái)高壓換熱器失效分析

王 露

一臺(tái)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(tái)高壓換熱器開(kāi)工10個(gè)月時(shí)出現(xiàn)幾乎沒(méi)有換熱效果的問(wèn)題，結(jié)合生產(chǎn)時(shí)的運(yùn)行參數(shù)及現(xiàn)場(chǎng)檢修情況對(duì)換熱器的失效原因進(jìn)行分析。結(jié)果表明：油品的結(jié)焦積垢導(dǎo)致殼程堵塞，從而引起該換熱器失效。通過(guò)對(duì)該換熱器失效原因的分析，為避免出現(xiàn)類似問(wèn)題積累經(jīng)驗(yàn)。

柴油加氫；高壓換熱器；失效分析；結(jié)焦積垢

筆者單位為某煉廠設(shè)計(jì)的200萬(wàn)t·a-1柴油加氫裝置，運(yùn)行10個(gè)月左右接到業(yè)主反饋問(wèn)題，一臺(tái)高壓換熱器（反應(yīng)器產(chǎn)物-加氫精制原料換熱器Ⅰ）開(kāi)工不久后即出現(xiàn)換熱效果差，近期監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)顯示幾乎沒(méi)有換熱效果，從而導(dǎo)致整個(gè)裝置生產(chǎn)負(fù)荷不足，請(qǐng)筆者單位協(xié)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(duì)整個(gè)裝置的生產(chǎn)起著至關(guān)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(zhì)腐蝕或沖蝕導(dǎo)致?lián)Q熱管穿孔引起的失效，高壓換熱器分程隔板等內(nèi)部結(jié)構(gòu)件損壞引起的失效，介質(zhì)堵塞設(shè)備引起的失效以及密封失效等。本文結(jié)合設(shè)備運(yùn)行的參數(shù)及現(xiàn)場(chǎng)檢修的實(shí)際情況，對(duì)該換熱器失效的原因進(jìn)行詳細(xì)分析，并提出了避免類似問(wèn)題發(fā)生的處理措施。

1 裝置及設(shè)備的基本情況

1.1 裝置工藝流程簡(jiǎn)介

與該設(shè)備相關(guān)的工藝流程簡(jiǎn)述如下：原料油由兩路進(jìn)裝置，一路為加氫改質(zhì)原料，由催化柴油及部分直餾柴油組成，經(jīng)過(guò)原料油自動(dòng)反沖洗過(guò)濾器除去大于20 μm的固體顆粒，進(jìn)入加氫改質(zhì)原料油緩沖罐，再經(jīng)進(jìn)料泵（P-102AB）升壓至13.4 MPa，經(jīng)反應(yīng)器產(chǎn)物-加氫改質(zhì)原料換熱器（E-102）及加熱爐升溫，加熱至反應(yīng)所需溫度后進(jìn)入加氫改質(zhì)反應(yīng)器（R-101）。另一路為加氫精制原料，為直餾柴油，經(jīng)過(guò)原料油自動(dòng)反沖洗過(guò)濾器除去大于20 μm的固體顆粒，進(jìn)入加氫精制原料油緩沖罐，再經(jīng)進(jìn)料泵（P-104AB）升壓至12.4 MPa，經(jīng)反應(yīng)器產(chǎn) 物-加氫精制原料換熱器Ⅰ（E-101）及反應(yīng)器產(chǎn) 物-加氫精制原料換熱器Ⅱ（E-103）升溫并與加氫改質(zhì)反應(yīng)器（R-101）的出口流出物混合后進(jìn)入加氫精制反應(yīng)器（R-102），反應(yīng)產(chǎn)物經(jīng)3臺(tái)高壓換熱器（E-101、E-102、E-103）冷卻后進(jìn)入后續(xù)流程。上述工藝流程的簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖1。

圖1 工藝流程簡(jiǎn)圖

1.2 設(shè)備的基本情況

1.2.1 設(shè)備的設(shè)計(jì)參數(shù)

失效換熱器為反應(yīng)器產(chǎn)物-加氫精制原料換熱器Ⅰ（E-101），該換熱器為一臺(tái)高高壓螺紋鎖緊環(huán)U形管換熱器，管程介質(zhì)為加氫改質(zhì)反應(yīng)產(chǎn)物，殼程介質(zhì)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(zhǎng)度為6 000 mm，管程、殼程均為2程，詳細(xì)的換熱器的設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn) 表1，換熱器簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖2。

圖2 換熱器（E-101）簡(jiǎn)圖

表1 換熱器（E-101）設(shè)計(jì)參數(shù)

1.2.2 現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行參數(shù)

業(yè)主反饋了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)得的壓力、溫度的運(yùn)行參數(shù)，詳見(jiàn)表2。

表2 換熱器（E-101）運(yùn)行參數(shù)

2 初步分析

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)反饋的運(yùn)行參數(shù)，管程進(jìn)出口溫差約5.4 ℃，進(jìn)出口壓降約0.068 MPa，殼程進(jìn)出口溫差約8.6 ℃，進(jìn)出壓降約1.802 MPa。筆者單位工藝專業(yè)首先排除了工藝流程和換熱計(jì)算的問(wèn)題，設(shè)備專業(yè)分析如下：

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

2）從溫度變化上看，該換熱器殼程設(shè)計(jì)溫升應(yīng)為157 ℃（進(jìn)口113 ℃、出口270 ℃），而實(shí)際只有8.6 ℃，幾乎沒(méi)有換熱效果。導(dǎo)致?lián)Q熱器沒(méi)有換熱效果的原因通?？紤]是殼程或管程短路。換熱器內(nèi)部結(jié)構(gòu)件失效或是管、殼程堵塞均會(huì)使得管、殼程短路。其一，從內(nèi)部結(jié)構(gòu)件失效考慮，該換熱器管程、殼程均為2程，螺紋鎖緊環(huán)換熱器內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且設(shè)備工況苛刻，操作壓力、操作溫度均較高，管、殼程進(jìn)出口又在同一軸線位置，若管、殼程分程隔板結(jié)構(gòu)密封失效，則管、殼程短路。其二，管、殼程如果存在介質(zhì)堵塞也會(huì)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(guò)大，殼程原料油可能結(jié)焦積垢。

從以上的初步分析可以看出，如果現(xiàn)場(chǎng)反饋數(shù)據(jù)無(wú)誤的話，導(dǎo)致?lián)Q熱器幾乎沒(méi)有換熱效果的原因可能是殼程結(jié)焦積垢。將初步分析結(jié)果匯報(bào)給業(yè)主，業(yè)主停工檢修這臺(tái)換熱器。

3 現(xiàn)場(chǎng)檢修

換熱器的管箱螺紋鎖緊環(huán)打開(kāi)后，發(fā)現(xiàn)管程的分程隔板、分程箱等均完好。繼續(xù)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(jié)垢堵塞導(dǎo)致，換熱器現(xiàn)場(chǎng)照片見(jiàn)圖3、圖4。

圖3 換熱器現(xiàn)場(chǎng)照片一

圖4 換熱器現(xiàn)場(chǎng)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(shè)置分程隔板，介質(zhì)為下進(jìn)上出，原料油沖開(kāi)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(yán)重，原密封條應(yīng)是向下彎曲，實(shí)際的密封條變形為向上彎曲。殼程分程隔板密封條設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)詳見(jiàn)圖5），直接從上部出口流出。殼程介質(zhì)堵塞短路導(dǎo)致了這臺(tái)換熱器失效。

圖5 殼程密封條設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

4.2 根本原因分析

觀察實(shí)物可以發(fā)現(xiàn)，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(jié)焦積垢是導(dǎo)則這臺(tái)換熱器失效的根本原因。

柴油的結(jié)焦結(jié)垢與原料的油品性質(zhì)、組成密切相關(guān)，還跟工藝流程及操作有很大關(guān)系，根據(jù)文獻(xiàn)，柴油油品結(jié)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(fā)生Diels-Alder環(huán)化反應(yīng)和聚合反應(yīng)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(jié)垢。

2）在原料的儲(chǔ)存和生產(chǎn)過(guò)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(chǎn)活性自由基，引發(fā)自由基鏈反應(yīng)，形成高分子聚合物縮合生焦，堵塞下游設(shè)備。

3）柴油加氫裝置經(jīng)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(xì)小焦粉，這些小焦粉具有很強(qiáng)的吸附性，易于在聚合反應(yīng)中形成有機(jī)大分子化合物粘結(jié)在一起，使焦垢顆粒逐漸長(zhǎng)大，當(dāng)其長(zhǎng)大到物流不能攜帶其繼續(xù)向前時(shí)就沉積在設(shè)備表面。

4）原料油在反應(yīng)器內(nèi)反應(yīng)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(shè)置過(guò)濾器或過(guò)濾器失效，也有可能堵塞下游設(shè)備。

5 結(jié) 論

柴油原料的結(jié)焦積垢是導(dǎo)致這臺(tái)高壓換熱器失效的根本原因，可以從以下幾個(gè)方面采取措施加以控制。

1）嚴(yán)格控制原料油品的質(zhì)量。原料油中的烯烴、二烯烴、雜質(zhì)含量應(yīng)嚴(yán)格控制，油品質(zhì)量差時(shí)考慮設(shè)置加氫原料預(yù)處理，抑制油品的結(jié)焦積垢。

2）加強(qiáng)對(duì)原料油品儲(chǔ)存、運(yùn)輸?shù)确矫娴墓芾怼Ａ蟽?chǔ)罐采用氮封，避免原料油與氧氣接觸。

3）摻煉油品應(yīng)經(jīng)過(guò)嚴(yán)格論證，尤其摻煉焦化汽油、焦化柴油時(shí)，應(yīng)引起格外注意。

4）反應(yīng)器選擇合適的催化劑，并控制合理的空速及停留時(shí)間、氫氣補(bǔ)給量，采用設(shè)計(jì)合理的反應(yīng)器內(nèi)件，避免反應(yīng)器溫升不均勻，避免局部高溫，從而避免原料油在反應(yīng)器內(nèi)生焦。

5）使用自動(dòng)反沖洗過(guò)濾器，加強(qiáng)對(duì)過(guò)濾器的運(yùn)行管理并監(jiān)控過(guò)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(yè)于鄭州輕工業(yè)大學(xué)，研究方向：石油化工設(shè)備設(shè)計(jì)。

TQ051.5

A

1004-0935（2022）03-0367-04