劉殿如，黃景峰，高 楠，李曉鵬，王天廷

(沈陽(yáng)中科韋爾腐蝕控制技術(shù)有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110000)

某煉油廠加氫裂化裝置于1995年9月建成投產(chǎn)。其原料油主要是常減壓直餾蠟油，可以摻煉部分焦化蠟油抽余油和外購(gòu)蠟油。氫氣由制氫裝置及氫氣提純裝置提供。

2018年7月17日，因脫丁烷塔安全閥啟跳，無法復(fù)位，且脫丁烷塔頂干氣含氫氣78%，因此確認(rèn)高壓換熱器出現(xiàn)內(nèi)漏，裝置開始停工檢修。經(jīng)打壓試漏發(fā)現(xiàn)，高壓換熱器反應(yīng)餾出物/低分油換熱器(E106A)管束出現(xiàn)泄漏。

高壓換熱器泄漏問題在加氫類裝置中屬于比較常見問題，對(duì)該問題原因進(jìn)行分析，并提出相應(yīng)控制措施，可避免此類問題再次發(fā)生。

1 工藝概況

高壓換熱器E101、E102、E103、E104A/B、E105、E106A/B串聯(lián)連接，反應(yīng)產(chǎn)物自E106A上半管程流入，流入溫度為230 ℃，從E106B下半管程流出，流出溫度為160 ℃。殼程為低分油，逆向進(jìn)行換熱，E106B殼程進(jìn)口溫度為50 ℃，E106A殼程出口溫度為198 ℃。換熱網(wǎng)絡(luò)見圖1。E106A管程操作壓力為16.41 MPa，殼程操作壓力為1.90 MPa，操作壓差為14.51 MPa。

圖1 高壓換熱器換熱網(wǎng)絡(luò)

為防止高壓換熱器銨鹽析出，在E105(反應(yīng)流出物/循環(huán)氫換熱器)前、E106前、A101(空氣冷卻器)前設(shè)置注水點(diǎn)，當(dāng)反應(yīng)產(chǎn)物流經(jīng)換熱器后換熱效率下降或者壓降過大時(shí)，通過采用E106A前臨時(shí)注水的方式對(duì)析出的NH4Cl進(jìn)行沖洗，緩解壓降并改善換熱效率。注水方式均采用一股水直接注入系統(tǒng)的方式。

E106A為U形管式換熱器，雙管程、單殼程。其殼體材質(zhì)為15CrMo(H)/Q345R； 管束材質(zhì)為0Cr18Ni10Ti，規(guī)格為6 000 mm×19 mm×2 mm(換熱管長(zhǎng)度×直徑×壁厚)。

2 檢驗(yàn)分析

2.1 內(nèi)窺鏡檢驗(yàn)

采用內(nèi)窺鏡對(duì)管束出現(xiàn)內(nèi)漏的E106A內(nèi)部進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)該管子距管板6.2 m處內(nèi)彎部位斷裂(正處于U形彎部位)，見圖2。觀察換熱管斷口，未發(fā)現(xiàn)管壁厚顯著減薄，其中一側(cè)斷面較為規(guī)則，大致與換熱管軸向呈一定夾角，近似垂直。

圖2 E106A換熱管斷口內(nèi)窺鏡形貌

2.2 垢樣分析

打開換熱器發(fā)現(xiàn)，管口和管束內(nèi)部附著白色結(jié)晶物。采用XRD和能譜對(duì)結(jié)晶物成分和各元素含量進(jìn)行分析，圖3和表1為能譜分析結(jié)果。由圖3和表1可見，結(jié)晶物主要含有C、O、S、Cl，還含有少量的Fe和Cr。

圖3 能譜分析結(jié)果

表1 能譜分析

在能譜分析確定好相應(yīng)的元素含量后，采用XRD衍射分析來確定具體的物質(zhì)構(gòu)成，結(jié)果如圖4 所示。與標(biāo)準(zhǔn)譜圖對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，白色結(jié)晶物主要為NH4Cl。

圖4 X射線衍射分析結(jié)果

2.3 換熱管的材質(zhì)分析

將換熱器更換下來，從斷裂的換熱器管子上切取塊狀樣品，并依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，使用光譜儀對(duì)其材質(zhì)進(jìn)行化學(xué)分析。結(jié)果表明：斷裂管子材質(zhì)為0Cr18Ni10Ti，其化學(xué)成分滿足GB/T 20878—2007《不銹鋼和耐熱鋼 牌號(hào)及化學(xué)成分》【1】要求，各元素含量未見有超標(biāo)現(xiàn)象(見表2)。

表2 換熱管材質(zhì)的化學(xué)成分 w，%

2.4 換熱管的金相分析

在斷裂的換熱器管子斷口附近切取金相樣品，經(jīng)預(yù)磨、拋光、腐刻后，在顯微鏡下進(jìn)行觀察分析，并使用顯微硬度計(jì)，進(jìn)行硬度測(cè)試。圖5所示為換熱管縱向金相組織。由圖5可見，金相組織為奧氏體，裂紋源在換熱管內(nèi)壁，裂紋呈現(xiàn)樹枝狀，既有主干又有分支，屬于穿晶型腐蝕裂紋，具有典型的應(yīng)力腐蝕開裂特征。樣口顯微硬度分別為HV0.2192.7、HV0.2202.6、HV0.2222.0，轉(zhuǎn)換成HB為183.7、192.6、212.0。一般情況下，0Cr18Ni10Ti不銹鋼管冷加工固溶處理后，硬度應(yīng)小于HB185【2】。由上述測(cè)試結(jié)果可見，該換熱器硬度不均，且局部硬度偏高。

圖5 換熱管的縱向金相組織

2.5 換熱管的電鏡分析

在斷口上切取樣品，采用掃描電鏡進(jìn)行觀察(見圖6)。微觀斷口可觀察到大量的河流狀花樣、魚骨狀花樣以及撕裂棱，且有可見的二次裂紋，這是管子中殘余應(yīng)力導(dǎo)致的。

圖6 換熱管斷口SEM形貌

3 原因分析

1) 由于加工原料變化較大，而未對(duì)結(jié)鹽溫度進(jìn)行核算，導(dǎo)致高壓換熱器E106A出現(xiàn)結(jié)鹽加重現(xiàn)象。通過采取E106A前臨時(shí)注水的方式對(duì)銨鹽進(jìn)行沖洗，但因注水系統(tǒng)流量的限制，使得注水量不足，導(dǎo)致NH4Cl不能全部被沖洗掉。殘留的NH4Cl吸收水分形成水溶液，并水解形成酸性Cl-腐蝕環(huán)境，其pH越低，奧氏體不銹鋼對(duì)Cl-應(yīng)力腐蝕敏感性越強(qiáng)【3】。

2) 奧氏體不銹鋼材質(zhì)換熱管的U形彎處，存在較大殘余應(yīng)力，管束內(nèi)彎與反應(yīng)產(chǎn)物接觸的管子內(nèi)壁為拉應(yīng)力集中區(qū)域，且管內(nèi)外壓力差比較大，為14.51 MPa。殘余應(yīng)力和外加載荷是誘導(dǎo)應(yīng)力腐蝕開裂的力學(xué)條件。同時(shí)在酸性環(huán)境和Cl-腐蝕的共同作用下，管子逐漸產(chǎn)生腐蝕裂紋源并擴(kuò)展，導(dǎo)致強(qiáng)度減弱。在管內(nèi)外壓差作用下，造成奧氏體不銹鋼0Cr18Ni10Ti換熱器Cl-應(yīng)力腐蝕開裂并最終導(dǎo)致爆管。

4 建議措施

4.1 加強(qiáng)原料控制

1) 建立加氫裂化裝置原料油總Cl分析平臺(tái)，包括分析設(shè)備和方法。加強(qiáng)原料總Cl分析監(jiān)測(cè)，健全高低壓分離器脫除水分析項(xiàng)目，加強(qiáng)對(duì)重整氫的HCl含量分析。

2) 根據(jù)原料中Cl、N含量的分析數(shù)據(jù)，對(duì)原料進(jìn)行適當(dāng)摻煉，確保Cl、N含量不超出裝置設(shè)防值。

3) 提升連續(xù)重整裝置重整氫脫Cl效果，可有效降低包括加氫裂化在內(nèi)的所有使用重整氫裝置的Cl腐蝕和結(jié)鹽風(fēng)險(xiǎn)。

4.2 優(yōu)化工藝控制措施

1) 對(duì)運(yùn)行狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，及時(shí)調(diào)整注水。發(fā)現(xiàn)壓降較大時(shí)，及進(jìn)在E106A前進(jìn)行注水，對(duì)析出的氯化銨鹽進(jìn)行沖洗，緩解NH4Cl對(duì)管束的堵塞和腐蝕。

2) 對(duì)工藝注水設(shè)施進(jìn)行優(yōu)化。對(duì)E106A注水系統(tǒng)進(jìn)行核算，確保能夠提供足夠的注水量，并保證注水量的25%為液態(tài)水；在注水點(diǎn)后果安裝混合器，確保注水的水能夠均勻混合。注水時(shí)應(yīng)采用專用注水噴頭，避免對(duì)主管線造成沖刷腐蝕，使管線局部腐蝕減薄。

3) 對(duì)結(jié)鹽溫度進(jìn)行計(jì)算與控制。根據(jù)原料中Cl和N的含量對(duì)結(jié)鹽溫度進(jìn)行及時(shí)核算，并把結(jié)鹽溫度接入控制系統(tǒng)(DCS)，控制換熱器出口溫度高于結(jié)鹽溫度15 ℃以上，避免該換熱器發(fā)生結(jié)鹽。

4.3 合理選材

根據(jù)SH/T 3096—2012《高硫原油加工裝置設(shè)備和管道設(shè)計(jì)選材導(dǎo)則》，建議將管束材質(zhì)升級(jí)為825合金或者15CrMo，避免出現(xiàn)奧氏體不銹鋼應(yīng)力腐蝕開裂現(xiàn)象。

4.4 加強(qiáng)檢驗(yàn)檢測(cè)

加強(qiáng)裝置檢修期間的設(shè)備腐蝕檢測(cè)。在裝置檢修時(shí)，應(yīng)采用內(nèi)窺鏡檢測(cè)、滲透檢測(cè)、渦流檢測(cè)等方式對(duì)高壓換熱器反應(yīng)流出物側(cè)的管板和管束內(nèi)部進(jìn)行重點(diǎn)檢測(cè)，確保腐蝕缺陷能及時(shí)被發(fā)現(xiàn)并得到有效控制。