龐永倩

(遼寧石化職業(yè)技術(shù)學(xué)院，遼寧錦州，121000)

1 前言

某煉廠催化重整裝置采用固定床半再生重整技術(shù)，以常減壓初常頂直餾汽油、柴油加氫酸性石腦油、加氫改質(zhì)粗汽油及異構(gòu)脫蠟石腦油為原料，主要生產(chǎn)高辛烷值汽油和芳烴抽提原料，并副產(chǎn)H2供各加氫裝置使用。該裝置預(yù)加氫進(jìn)料換熱器為立式固定管板換熱器，原設(shè)計為重整二段混氫換熱器，殼程流通介質(zhì)為重整生成油和氫氣，同時含有少量H2S，工作壓力約為1.5MPa，工作溫度約為110-480℃，在此運(yùn)行期間腐蝕較輕。2002年，裝置擴(kuò)能改造，將其利舊為預(yù)加氫進(jìn)料換熱器，2002年9月份完成改造并投用。2020年3月14日和2021年6月13日兩次發(fā)生泄漏停工。為保證安全生產(chǎn)，需要對該換熱器內(nèi)漏進(jìn)行原因分析并提出對策建議。

2 換熱器相關(guān)信息

某煉廠催化重整裝置預(yù)加氫進(jìn)料換熱器(E3104A)為國營五二三廠生產(chǎn)的立式固定管板換熱器(DN=700，A=350m2)，其主要物理參數(shù)如表1所示。該換熱器于1994年11月投入使用，其主要工藝參數(shù)如表2所示。

表1 換熱器主要物理參數(shù)

表2 換熱器的主要工藝參數(shù)

3 現(xiàn)場檢查情況

3.1 宏觀檢查

現(xiàn)場解體檢查，該換熱管上部外表面腐蝕嚴(yán)重，并附有多層銹皮。將表面銹皮剝離，金屬表面銹皮粘合牢固，且有灰色光澤，符合高溫H2/H2S腐蝕特征。

圖1 E3104A殼程入口段腐蝕情況

圖2 換熱管殼程入口段和出口段腐蝕情況對比

該換熱管殼程入口段較出口段存在明顯減薄，換熱管原設(shè)計壁厚為2mm，實(shí)際剩余壁厚約為0.5mm左右，如圖3所示。

圖3 殼程入口段換熱管減薄情況

通過對該換熱器的現(xiàn)場實(shí)際調(diào)研和測量分析，該換熱器管束腐蝕主要發(fā)生在殼程介質(zhì)側(cè)，其中在殼程溫度較高的入口段腐蝕嚴(yán)重。換熱管外表面溫度由高向低，腐蝕呈現(xiàn)逐漸減弱趨勢。

3.2 結(jié)垢物分析

對換熱管外結(jié)垢物采用能譜儀、XRD進(jìn)行分析。能譜儀分析元素結(jié)果參見表3，主要成分為Fe、S、O和C。XRD檢測結(jié)垢物中結(jié)晶物質(zhì)主要為FeS，說明結(jié)垢物主要為換熱管與硫化物腐蝕作用生成。

表3 掃描電鏡+能譜儀分析結(jié)果

4 原因分析及結(jié)論

4.1 腐蝕原因分析

該換熱器殼程流通介質(zhì)為重整生成油和氫氣，同時含有少量H2S，其中H2S摩爾分?jǐn)?shù)約為0.024%-0.059%；殼程入口溫度約為282-288℃，出口溫度約為189-205℃；換熱管材質(zhì)為15CrMo(Cr含量0.8%-1.1%)，具備發(fā)生高溫H2/H2S腐蝕的必要條件。

重整裝置預(yù)加氫原料腐蝕性介質(zhì)設(shè)防值參見表4，2019年大修后預(yù)加氫混合原料硫含量148.8-395.4mg/kg，平均為230.9mg/kg；氮含量0.8-5.4mg/kg，平均為2.0mg/kg；氯含量0.4-18.9mg/kg，平均為1.14mg/kg。

表4 原料腐蝕性介質(zhì)設(shè)防值

圖4 2019年大修后重整預(yù)分餾塔進(jìn)料硫含量變化情況

該換熱器管束材質(zhì)為低合金鋼15CrMo,近年新投產(chǎn)重整裝置，預(yù)加氫反應(yīng)器流出系統(tǒng)高溫部位換熱器管束材質(zhì)普遍采用0Cr18Ni10Ti。經(jīng)裝置設(shè)計單位核算，材質(zhì)等級偏低，為滿足原料硫含量設(shè)防值≤360mg/kg的要求，E3104AB應(yīng)加強(qiáng)腐蝕檢測并適時考慮材料升級。

2009年至今，重整預(yù)加氫反應(yīng)器進(jìn)料硫含量為200-391mg/kg，平均為290.6mg/kg。在裝置進(jìn)料31.5t/h、反應(yīng)器出口H2流量6500Nm3/h、原料硫含量290.6mg/kg的條件下，E3104殼程流通物料中H2S摩爾分?jǐn)?shù)約為0.0475%。依據(jù)Couper-Gorman曲線，280℃下?lián)Q熱器入口段發(fā)生高溫H2/H2S腐蝕速率最高為0.13mm/a，存在明顯腐蝕。按此腐蝕速率計算理論使用壽命約為15.5年，2002年利舊投用至今已19年，管束已達(dá)到使用壽命。

4.2 結(jié)論

結(jié)合裝置工藝流程以及腐蝕形貌，確定該換熱器內(nèi)漏原因?yàn)榇嬖诟邷豀2/H2S腐蝕，且已達(dá)使用壽命。

高溫H2/H2S腐蝕是碳鋼或低合金鋼在高溫且臨氫條件下與硫化氫反應(yīng)發(fā)生的腐蝕，氫的存在加速了高溫硫腐蝕的發(fā)生。對于加氫裝置，混氫點(diǎn)下游工作溫度≥204℃(數(shù)據(jù)來源API581-2020，API571-2020腐蝕起始溫度為230℃)的設(shè)備和管線易發(fā)生此類型腐蝕。在材料鉻含量>9%wt時，設(shè)備抗高溫H2/H2S腐蝕能力才能夠得到顯著提高。

5 對策建議

(1)在合理性價比的前提下，可將該換熱器管束材質(zhì)升級為0Cr18Ni10Ti，以提高設(shè)備耐蝕能力。

(2)加強(qiáng)預(yù)加氫混氫點(diǎn)后，特別是工作溫度≥204℃部位碳鋼和低合金鋼設(shè)備和管線的日常監(jiān)測。在原料發(fā)生變化時，應(yīng)依據(jù)Couper-Gorman曲線估算腐蝕速率，評估設(shè)備剩余壽命。

(3)由于為固定管板式換熱器，無法對管束進(jìn)行有效檢測并及時判斷換熱管的腐蝕狀態(tài)，所以對于存在較嚴(yán)重腐蝕的關(guān)鍵冷換設(shè)備不建議采用固定管板式，而推薦采用管殼式。