加氢高压换热器失效原因分析及处理措施

宋丽丽

（玉门油田分公司炼油化工总厂，甘肃 玉门 735200）

70 万吨/年柴油加氢精制装置由寰球工程公司辽宁分公可设计，采用柴油深度加氢脱硫技术，工艺按抚顺石油化工研究院开发的PHF-102 柴油加氢精制健化剂设计。装置由反应、分馏以及公用工程部分组成，于2013 年12 月完成成设计，2014 年9 月建成，于2014 年10 月投产。反应产物/低分油换热器 E-102（以下简称E102）于2014 年7 月由镇海石化建安工程有限公司制造，中油六建进行现场安装，2014 年11 月投用生产，在前期投运过程中运行正常。

E102 在2018 年5 月7 日、7 月10 日、7 月16 日先后发生3 次泄漏，本文重点对2018 年7 月16 日换热器的泄漏现象、泄漏原因、处理措施三方面进行论述。

1 泄漏现象描述

该台换热器为立式换热设备，规格型号：DN1340 H ≈12271。2018 年5 月7 日、2018 年7 月10 日先 后 出 现E102出现泄漏的情况，第一次泄漏换热管1 根，堵管1 根，从现场打开的情况看管板处很干净，无结盐现象。第二次泄漏换热管1 根，堵管3 根（其中1 根为漏管，为防止管程截止从漏管裂口处喷出，可能对周边换热管造成冲刷，和镇海石化讨论后对可能在同一管卡处的会继续发生泄漏的两个管进行堵管处理，故对漏管两侧存在隐患的2 根换热管一并堵管，打开检查发现上次泄漏管束旁另一根管束泄漏，从现场打开的情况看管板处很干净，无结盐现象。

2018 年7 月16 日22：24 分左右，70 万吨/年柴油加氢精制置系统压力由7.0MPa 缓慢降至5.4MPa，期间检查新氢压缩机K-101/A 现场运行正常，查看新氢流量趋势稳定，塔顶回流罐压控阀PIC-20201 阀位由24%快速上涨至62%，塔顶不凝气外排流量FIQ-20203 由400Nm3/h 涨至800Nm3/h(已超过该表最大量程)，E-102 壳程出口压力PI-10901 在22：24 分后开始波动，据以上因素分析判断E102 管束发生第三次泄漏（发生第三次泄漏后，车间制定监护运行措施）。

2 泄漏原因分析

2.1 换热器参数

反应产物/低分油换热器（E102）为缠绕管式换热器，制造工艺特殊且复杂，换热管长度长，对换热管产品的技术和品质要求高很多，于2013 ～2014 年7 月间制造，按技术协议和《换热器数据表》的要求，换热管选用S22053 双相钢无缝钢管。

2.2 工艺流程

来自加氢精制反应器(R-101)的反应产物，经反应产物-混氢油换热器(E-101)、反应产物-低分油换热器（E-102）换热后，经反应产物空冷器（A-101）冷却，进入冷高压分离器(V-102)。在冷高压分离器(V-102)中进行气、油、水三相分离。为了防止反应流出物中的铵盐（NH4HS）在低温部位析出，通过反应产物注水泵(P-102)将除氧水注至反应产物-低分油换热器(E-102)上游侧和反应产物空冷器（A-101）上游侧以溶解反应产生的NH4HS。

2.3 管束泄漏原因分析

换热器管束泄漏发生主要有三方面原因，根据前两次堵漏时宏观检查发现，管束、管板位置干净、光亮，无明显腐蚀或结垢等现象存在，据此排除介质腐蚀造成管束泄漏可能，原因初步判断为制造缺陷、工艺操作导致热管破裂或穿孔。

2.3.1 直接原因

2.3.1.1 制造缺陷

（1）在此次现场查漏时，通过内窥镜检查了管口至绕出端起弯点的全部管段，确认在此范围内无漏点，可排除此根换热管绕出端处管箍安装位置不当的可能。（2）泄漏若是由于换热管在热应力和振动等外力作用下，与管箍产生刮擦而造成的损伤所致，则会在较短时间内发生失效。而运行长达30000 小时后，由于管子管箍相互刮擦造成损伤而发生换热管失效的可能性相对要小得多。（3）缠绕管在绕制过程中过度弯曲形成的原始隐患，在操作条件不稳定情况下，因疲劳积累，导致缺陷扩展，致使管子断裂。（4）该换热器是由多组缠绕成螺旋状的管子置于壳体之中制成的，属于缠绕管立式换热器。它的特点是结构紧凑、传热面积比直管大，温差应力小。此结构大大增加了管束间相互摩擦磨损的可能性。

2.3.1.2 工艺操作的影响

正常生产，由于工艺需要压力、温度等工艺参数定期要做出调整，加之操作人员技能水平等因素会对设备造成一定的冲击。装置两次抢修工期短，开停工过程中压力管网不稳定，在气流冲击下,对管子弯曲段反复撞击，使管子破裂或穿孔。

3 处理措施

通过上述分析得知，判断柴油精制装置反应产物/低分油换热器 E-102 发生泄漏的可能是由于双相钢管换热管本身引起的失效。通过同镇海石化协商，厂家将无偿对E102 进行赔偿，并根据泄漏情况，做好制造过程中的质量把控。装置维持运行至2019 年5 月22 日完成反应产物/低分油换热器E-102 整体更换，新设备替换安装，检修后在投用正常，原设备拆除，拉回厂家解体分析。

3.1 解体检查情况

（1）E102于2019年6月10日拉回，对设备表面进行清理，对管壳程进行充氮保护后待解体。（2）2019 年6 月15 日，对E102 进行气密性试验查漏，确定1 根换热管出现泄漏，且漏量较大，对此管进行标记后封堵。此后，采用氨渗漏试验未查出其他换热管泄由此判断此根换热管泄漏为E102 第三次泄漏的原因。（3）2019 年6 月22 日正式开始对E012 进行解体、抽芯、换热管拆解及取样工作：在拆解至芯体第13 层时，发现装置现场前后二次堵管的4 根换热管及拉回后找到的1 根漏管均为第12 层，其中3 根换热管各有1 处裂口。经确认此3 根换热管即为之前运行时导致三次泄漏的3 根漏管。3 根换热管的裂口位置均位于芯体中部。（4）对第12 层的其他换热管（包括第2 次泄漏保护性堵管的2 根未漏管子）进行0.9MPa 气压、28MPa 水压试验，均未发现泄漏。

3.2 换热管取样分析

（1）对12 层3 根漏管分别在裂口处、距裂口0.3m 和5.0m 左右取样，分别编号12-1、12-2、12-3，断口平齐，断口附近未发现明显腐蚀现象；为保证分析的完整性，对其他未漏换热管，即15 层未裂管编号15-1，随机在类似位置取2 处进行对比，未发现明显腐蚀现象。（2）漏管裂口处金相组织异常，铁素体含量很低，且部分已转化为脆性相；换热管外壁铁素体含量低至5%～6%，组织为奥氏体+晶界分布少量铁素体和碳化物；换热管芯部铁素体含量约10%，组织为奥氏体+少量铁素体和碳化物，部分铁素体转化为脆性相。对3 根泄漏管裂口附件取样进行硬度检测，硬度为240～280HB 不等，且很不均匀。（3）距漏管裂口0.3m 左右换热管进行铁素体检测，情况有所改善，铁素体含量约为15%～20%。（4）距漏管裂口5.0m 左右换热管金相组织趋于正常，组织为奥氏体+（28%～35%）铁素体+少量碳化物，铁素体略不均，未见明显脆性相，换热管外壁和芯部组织略有差异但无本质区别。（5）对其他层未断裂换热管同部位取样分析，金相组织为奥氏体+铁素体双相组织，铁素体分布略有不均，含量约35 ～45% ；此位置取样进行硬度检测，硬度为210HB左右，且分布均匀。（6）上述所取试样进行宏观检验，内、外壁均未发现明显的均匀腐蚀或点蚀现象；3 根裂管的裂口处未见明显腐蚀情况，断裂形式为脆性断裂，无塑性变形迹象。

4 结语

综合上述情况，E102 的泄漏原因分析如下：

换热管断裂处组织异常，硬度较硬且分布不均匀，断裂处先出现小裂纹，后在外力作用下扩展脆性断裂。

结论：E102 泄漏是由换热器管束质量问题引起。该批换热管虽为当时国内最好之一的无缝管制造厂家生产，但是，换热管生产过程品质管控仍然存在漏洞，出现了质量不稳定的情况。