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加氫裝置高壓換熱器開裂原因分析及對策

文檔作者：劉殿如,黃景峰,高楠,李曉鵬,王天廷文檔來源：沈陽中科韋爾腐蝕控制技術有限公司		更新日期： 2026年05月29日	點擊數：
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上一篇：氣體發生器發展趨勢研究

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?????????????????????? 收稿日期:２０２０Ｇ１２Ｇ２３.
作者簡介:劉殿如,男,２０１１年畢業于中國石油大學(華東)
材料化學專業,主要從事煉化裝置大檢修期間腐蝕調查工
作,工程師.
Email:１８６４０４３９８３２＠１６３．com.
加氫裝置高壓換熱器開裂原因
分析及對策
劉殿如,黃景峰,高　楠,李曉鵬,王天廷
(沈陽中科韋爾腐蝕控制技術有限公司,遼寧沈陽１１００００)
　　摘　要:文章介紹了某煉油廠加氫裂化裝置反應流出物/低分油換熱器(E１０６A)０Cr１８Ni１０Ti材質管束
爆管情況,結合該換熱器管、殼程工作條件和防腐措施,利用內窺鏡檢查、光譜材質分析及硬度性能分析、金
相及掃描電鏡分析等方法對爆管樣品進行了綜合分析,并同時采用XRD和能譜對結晶物進行分析.結果表
明:E１０６A換熱器管束內壁存在NH４Cl結晶,當注水量不足時,NH４Cl水解形成的酸性環境提高了奧氏體
不銹鋼Cl－ 應力腐蝕開裂的敏感性,從而導致該換熱器管束發生穿晶型應力腐蝕開裂,當裂紋延伸到一定程
度后發生爆管.針對以上腐蝕開裂原因,從工藝控制和設備選材等方面提出了相應的防腐建議和措施.
關鍵詞:加氫換熱器　奧氏體不銹鋼應力開裂　加氫結鹽　加氫注水
doi:１０．３９６９/j．issn．１００６－８８０５．２０２１．０２．００４
　　某煉油廠加氫裂化裝置于１９９５年９月建成
投產.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,
無法復位,且脫丁烷塔頂干氣含氫氣７８％,因此
確認高壓換熱器出現內漏,裝置開始停工檢修.
經打壓試漏發現,高壓換熱器反應餾出物/低分油
換熱器(E１０６A)管束出現泄漏.
高壓換熱器泄漏問題在加氫類裝置中屬于比
較常見問題,對該問題原因進行分析,并提出相應
控制措施,可避免此類問題再次發生.
１　工藝概況
高壓換熱器E１０１、E１０２、E１０３、E１０４A/B、
E１０５、E１０６A/B串聯連接,反應產物自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
向進行換熱,E１０６B 殼程進口溫度為５０ ℃,
E１０６A 殼程出口溫度為１９８ ℃.換熱網絡見
圖１.E１０６A 管程操作壓力為１６．４１ MPa,殼程
操作壓力為１．９０MPa,操作壓差為１４．５１MPa.
為防止高壓換熱器銨鹽析出,在E１０５(反應
流出物/循環氫換熱器)前、E１０６前、A１０１(空氣
冷卻器)前設置注水點,當反應產物流經換熱器后
換熱效率下降或者壓降過大時,通過采用E１０６A
前臨時注水的方式對析出的NH４Cl進行沖洗,緩
解壓降并改善換熱效率.注水方式均采用一股水
直接注入系統的方式.
E１０６A 為U 形管式換熱器,雙管程、單殼程.
其殼體材質為１５CrMo(H)/Q３４５R;管束材質為
０Cr１８Ni１０Ti,規格為６０００mm×１９mm×２mm
(換熱管長度×直徑×壁厚).
２　檢驗分析
２．１　內窺鏡檢驗
采用內窺鏡對管束出現內漏的E１０６A 內部
進行檢查,發現該管子距管板６．２m 處內彎部位
斷裂(正處于U 形彎部位),見圖２.觀察換熱管
斷口,未發現管壁厚顯著減薄,其中一側斷面較為
規則,大致與換熱管軸向呈一定夾角,近似垂直.
２．２　垢樣分析
打開換熱器發現,管口和管束內部附著白色
結晶物.采用XRD和能譜對結晶物成分和各元
素含量進行分析,圖３和表１為能譜分析結果.
由圖３和表１可見,結晶物主要含有C、O、S、Cl,
還含有少量的Fe和Cr.
靜設備　　　　石油化工設備技術,２０２１,４２(２)??１６??
PetroＧChemicalEquipmentTechnology
圖１　高壓換熱器換熱網絡
圖２　E１０６A 換熱管斷口內窺鏡形貌
圖３　能譜分析結果
表１　能譜分析
元素線類型
表觀濃度/
(w,％)
k 比值
元素含量/
(w,％)
σ 均值/
(w,％)
標準樣品廠家標準
C K線系２４．４４ ０．２４４４１ ７０．４１ ０．８０ 單質元素是
O K線系２．７９ ０．０２４４６ ８．７８ ０．６０ SiO２ 是
S K線系８．７９ ０．０９３２９ ３．４３ ０．１３ FeS２ 是
Cl K線系２７．９７ ０．２６６７７ １０．０７ ０．２７ NaCl 是
Cr K線系１．１３ ０．０１１３５ ０．４１ ０．０９ Cr 是
Fe K線系１８．７１ ０．１８７０８ ６．９１ ０．２８ Fe 是
　　在能譜分析確定好相應的元素含量后,采用
XRD衍射分析來確定具體的物質構成,結果如
圖４所示.與標準譜圖對比分析發現,白色結晶
物主要為NH４Cl.
　第４２卷第２期 劉殿如等．加氫裝置高壓換熱器開裂原因分析及對策 ??１７??
圖４　X射線衍射分析結果
２．３　換熱管的材質分析
將換熱器更換下來,從斷裂的換熱器管子上
切取塊狀樣品,并依據相關標準,使用光譜儀對其
材質進行化學分析.結果表明:斷裂管子材質為
０Cr１８Ni１０Ti,其化學成分滿足GB/T２０８７８—
２００７«不銹鋼和耐熱鋼牌號及化學成分»【１】要求,
各元素含量未見有超標現象(見表２).
表２　換熱管材質的化學成分w ,％
項目標準值實測值
C ≤０．０８ ０．０４
Si ≤１．００ ０．５２
Mn ≤２．００ ０．４３
P ≤０．０４５ ０．０３４
S ≤０．０３０ ０．０２６
Cr １７．００~１９．００ １７．６８
Ni ９．００~１２．００ １０．４７
Ti ５C~０．７０ ０．５６
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,經預磨、拋光、腐刻后,在顯微鏡下進行觀察分
析,并使用顯微硬度計,進行硬度測試.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,裂紋源在換熱管內壁,裂紋呈現樹枝
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
應小于HB１８５【２】.由上述測試結果可見,該換熱
器硬度不均,且局部硬度偏高.
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,這是管子中殘余應力導致的.
圖５　換熱管的縱向金相組織
３　原因分析
１)由于加工原料變化較大,而未對結鹽溫度
進行核算,導致高壓換熱器E１０６A 出現結鹽加重
現象.通過采取E１０６A 前臨時注水的方式對銨
鹽進行沖洗,但因注水系統流量的限制,使得注水
量不足,導致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－ 腐蝕環境,其pH 越低,奧氏體不銹鋼對Cl－
應力腐蝕敏感性越強【３】.
圖６　換熱管斷口SEM 形貌
　　２)奧氏體不銹鋼材質換熱管的U 形彎處,
存在較大殘余應力,管束內彎與反應產物接觸的
管子內壁為拉應力集中區域,且管內外壓力差比
較大,為１４．５１ MPa.殘余應力和外加載荷是誘
導應力腐蝕開裂的力學條件.同時在酸性環境和
Cl－ 腐蝕的共同作用下,管子逐漸產生腐蝕裂紋
源并擴展,導致強度減弱.在管內外壓差作用下,
造成奧氏體不銹鋼０Cr１８Ni１０Ti換熱器Cl－ 應力
腐蝕開裂并最終導致爆管.
４　建議措施
４．１　加強原料控制
１)建立加氫裂化裝置原料油總Cl分析平
臺,包括分析設備和方法.加強原料總Cl分析監
??１８?? 石　油　化　工　設　備　技　術 ２０２１年　
測,健全高低壓分離器脫除水分析項目,加強對重
整氫的HCl含量分析.
２)根據原料中Cl、N含量的分析數據,對原料
進行適當摻煉,確保Cl、N含量不超出裝置設防值.
３)提升連續重整裝置重整氫脫Cl效果,可
有效降低包括加氫裂化在內的所有使用重整氫裝
置的Cl腐蝕和結鹽風險.
４．２　優化工藝控制措施
１)對運行狀況進行監測,及時調整注水.發
現壓降較大時,及進在E１０６A 前進行注水,對析
出的氯化銨鹽進行沖洗,緩解NH４Cl對管束的堵
塞和腐蝕.
２)對工藝注水設施進行優化.對E１０６A 注
水系統進行核算,確保能夠提供足夠的注水量,并
保證注水量的２５％為液態水;在注水點后果安裝
混合器,確保注水的水能夠均勻混合.注水時應
采用專用注水噴頭,避免對主管線造成沖刷腐蝕,
使管線局部腐蝕減薄.
３)對結鹽溫度進行計算與控制.根據原料
中Cl和N 的含量對結鹽溫度進行及時核算,并
把結鹽溫度接入控制系統(DCS),控制換熱器出
口溫度高于結鹽溫度１５℃以上,避免該換熱器發
生結鹽.
４．３　合理選材
根據SH/T３０９６—２０１２«高硫原油加工裝置
設備和管道設計選材導則»,建議將管束材質升級
為８２５合金或者１５CrMo,避免出現奧氏體不銹
鋼應力腐蝕開裂現象.
４．４　加強檢驗檢測
加強裝置檢修期間的設備腐蝕檢測.在裝置
檢修時,應采用內窺鏡檢測、滲透檢測、渦流檢測
等方式對高壓換熱器反應流出物側的管板和管束
內部進行重點檢測,確保腐蝕缺陷能及時被發現
并得到有效控制.
參考文獻:
[１]　全國鋼標準化技術委員會．不銹鋼和耐熱鋼牌號及
化學成分:GB/T２０８７８—２００７[S]．北京:中國標準
出版社,２００７．
[２]　中國石油化工設備管理協會設備防腐專業組．石油
化工裝置設備腐蝕與防護手冊[M]．北京:中國石
化出版社,１９９６:１７０Ｇ１７１．
[３]　黃毓暉,軒福貞,涂善東．３０４奧氏體不銹鋼在酸性
氯離子溶液中應力腐蝕性能的研究[J]．壓力容器,
２００９,２６(７):５Ｇ１０．
?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? (上接第１０頁)
了焊縫承載面積,使得應力進一步降低.
但是封頭厚度的增加受材料供貨限制,同時經
濟性也逐漸變差;角接接頭在軸向堆焊的長度也受
結構限制.因此可以將二者結合,增加球形封頭厚
度至筒體０．７倍以上,降低整個局部連接接頭的應
力;同時增加層板角焊縫長度,改善角接接頭的局
部應力,從而保證局部結構的強度滿足要求.
４　結語
對多層包扎容器的筒體與球形封頭連接部位
進行了結構分析和優化設計,得出如下結論:
１)定量分析了球形封頭與筒體的厚度比對
連接部位應力狀態的影響.由于應力集中和邊緣
應力的影響,厚度比為０．５時局部應力過高,建議
將厚度比增至０．７以上,改善整個局部結構的應
力水平.
２)針對多層筒體非對接部分角接接頭應力
過高的情況,通過改變角接接頭的結構形式降低
局部結構的應力水平.
３)GB/T１５０．３—２０１１附錄D．８．３中要求的
１∶３的過渡比例需要嚴格遵守,防止局部應力集
中過于嚴重,影響其疲勞壽命.
參考文獻:
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結構設計與應力分析[J]．石油化工設備技術,
２０１６,３７(２):１８Ｇ２３．
[２]　楊俊嶺,趙斌義．多層包扎壓力容器設計探討[J]．
大氮肥,２００８,３１(６):４０３Ｇ４０６．
[３]　全國鍋爐壓力容器標準化技術委員會．壓力容器:
第３部分:設計GB/T１５０．３—２０１１[S]．北京:中國
標準出版社,２０１２．
[４]　ASME鍋爐及壓力容器委員會．ASME鍋爐及壓力
容器規范:第Ⅷ 卷:第一冊:壓力容器建造規則:
２０１３版[S]．中石協ASME 規范產品專業委員會
CCAC,譯．北京:中國石化出版社,２０１４．
[５]　全國鍋爐壓力容器標準化技術委員會．鋼制壓力容
器———分析設計標準:JB/T４７３２—１９９５(２００５年確
認)[S]．北京:新華出版社,２００５．
[６]　化學工業部化工機械與設備標準化技術委員會．整
體多層夾緊式高壓容器:HG３１２９—１９９８[S]．北京:
化學工業出版社,１９９８．
　第４２卷第２期 劉殿如等．加氫裝置高壓換熱器開裂原因分析及對策 ??１９??
Key words: ethylene; capacity expansion
revampingofethyleneplant;quenchoiltower;
orthogonalcorrugatedtray
CAUSE ANALYSISAND COUNTERMEASURES
FOR CRACKING OF HIGH PRESSURE HEAT
EXCHANGERIN HYDROGENATIONUNIT [１６]
Liu Dianru, Huang Jingfeng, Gao Nan,
LiXiaopeng,WangTianting(ShenyangZkwell
CorrosionControlTechnologyCo．,Ltd．,ShenＧ
yang,Liaoning,１１００００)
Abstract:Thispaperintroducesthetubeburst
of０Cr１８Ni１０Titubebundleofahydrocracking
unitreaction effluent / low separation heat
exchanger (E１０６A)in arefinery．Combined
withtheworkingconditionsofthetubeandshell
sideoftheheatexchangerandtheantiＧcorrosion
measures,thetubeburstsamplesareanalyzed
comprehensively by means of endoscopy,
spectralmaterialanalysis,hardnessperformance
analysis,metallographyandscanningelectron
microscopeanalysis．Thecrystalwasanalyzedby
adoptingXRDandenergyspectrum．Theresults
showthatthereisNH４Clcrystalintheinner
wallof E１０６A heat exchangertube bundle．
When the amount of water injection is
insufficient,the acid environmentformed by
hydrolysisofammoniumchlorideimprovesthe
sensitivityofCl－ stresscorrosioncrackingof
austenitic stainless steel, which leads to
transgranularstresscorrosioncracking ofthe
tubebundleofE１０６Aheatexchanger．Whenthe
crack extendsto a certain extent,thetube
bursts．Inviewoftheabovecorrosioncracking
reasons, the corresponding antiＧcorrosion
suggestionsandmeasuresareputforwardfrom
theaspectsofprocesscontrolandequipment
materialselection．
Key words: hydrogenation heat exchanger;
stresscrackingofausteniticstainlesssteel;salt
scalingofhydrocrackingunit;waterinjectionfor
hydrocrackingunit
ESTABLISHMENT AND ANALYSIS OF DYＧ
NAMIC TANK CAPACITY MODELS UNDER
DIFFERENTSHIPPINGSCHEDULESFORLNG
TERMINALS[２０]
DuoZhili(SINOPEC Engineering IncorporaＧ
tion,Beijing,１００１０１)
Abstract: According to different shipping
schedules,threedynamiccalculation modelsof
tank capacity required for uniform shipping
schedule,semiＧuniform shippingscheduleand
adjustableshippingscheduleareestablishedafter
takingtheinfluenceofseasonalanddailypeak
shavingandsafety marginintoconsideration．
Threemodelshavebeenappliedtocalculatethe
requiredtankcapacityforone LNG terminal．
Aftercomparingtheresults,itisobtainedthat
thetankcapacityrequiredforuniformshipping
schedulemodelwhichhasthesmallestdegreeof
freedominschedulingisthelargest;thetank
capacity required for free shipping schedule
modelwhichhasthehighestdegreeoffreedom
in scheduling is the smallest and the tank
capacity required for semiＧuniform shipping
schedulemodelwhichhasthemoderatedegree
of freedom in scheduling is moderate．
Therefore, it is recommended that each
LNGterminal should arrange the shipping
schedule reasonably according to the actual
purchaseplanandtrytoachieveindependent
shipping schedule operation model so as to
reducethenumberofstoragetankstobebuilt
andsaveinvestment．
Key words:dynamic tank capacity;uniform
shippingschedule;semiＧuniformshippingschedＧ
ule;independentshippingschedule
ABSTRACTS 　PETROCHEMICALEQUIPMENTTECHNOLOGY
StartedPublicationin１９８０．Bimonthly．Mar．２０２１Vol．４２No．２??Ⅳ??

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