炼油装置空冷器泄漏原因分析及控制措施

李春兰

(兰州兰石能源装备工程研究院有限公司)

空冷器是炼油装置中重要的换热设备，随着近年来我国石化工业突飞猛进的发展，空冷器需求量剧增。但国内加工高硫原油的劣质化和复杂化导致空冷器的泄漏问题也非常严重，尤其是加氢装置的高压空冷器，其泄漏率占整体在用空冷器的90%以上。高压空冷器的运行环境苛刻，高压、高温、工艺介质易燃易爆、腐蚀性强是引起泄漏的主导因素。空冷器没有壳体，承压部件(管束)直接暴露在外，一旦发生泄漏，轻则造成现场非计划停工检修，影响生产；重则工艺介质泄放到空气中，不但污染大气，还会引起其他严重后果，给石化企业带来巨大的经济损失。笔者针对空冷器泄漏原因进行分析并提出解决方法。

1 空冷器腐蚀机理及影响因素

高压空冷器的操作介质为反应产物，介质组分和操作条件为：

空冷器型号 GP9×3-6-193-17.0S-23.4/DR-Ⅲt

工艺介质 油气、水、H2(86% )、H2S、NH3、Cl-

设计压力 17.0MPa

操作压力 15.6MPa

设计温度 250℃

进/出口操作温度 135～210℃(最高230℃)/60℃

其中，H2S、NH3和Cl-可反应生成铵盐NH4Cl和NH4HS，空冷器的操作温度正好处于铵盐的结晶温度。如果没水或水很少，这些结晶会很快引起换热管的堵塞。为了防止堵塞，一般要在空冷器前端注水，这样可有效阻止结垢，但却变成了腐蚀性较强的铵盐溶液，由堵塞变成了腐蚀，甚至形成电化学垢下腐蚀及冲刷腐蚀。影响腐蚀速度的因素有：

a. 流体腐蚀系数。国际上定义腐蚀系数为H2S和NH3的气相摩尔分数的乘积，当腐蚀系数大于0.02时，腐蚀开始；腐蚀系数大于0.2时，腐蚀会很严重。

b. 介质流速。在碳钢管内，当有NH4HS时会在管内壁形成硫化铁保护膜，但其附着力不强，如果介质流速过高，会冲掉这层保护膜，加重局部腐蚀。

2 空冷器泄漏的原因分析

2.1 管头泄漏

管子与管板连接处应力大，介质中的湿H2S在一定的温度条件下发生应力腐蚀引起泄漏。空冷器管头在管箱内部，管头焊接后如果有较深的焊接缺陷，运行中由于压力较高而产生泄漏。介质流速不均匀会对管头造成冲刷腐蚀，致使管壁减薄引起泄漏。

2.2 丝堵泄漏

空冷器丝堵数量与管孔一样多，据调查80%的空冷器泄漏发生在丝堵部位。丝堵材料多为棒料，丝堵六角头需锻压成型。棒料加热锻制六角头时，如果锻造加热温度控制不严，终锻温度较低，尤其是镍基合金材料，在塑性较差时发生锻造形变，致使裂纹产生甚至会产生贯穿性缺陷。

2.3 丝堵垫片密封不好

丝堵垫片密封不好的原因有：

a. 管箱丝堵孔的密封面与孔中心的垂直度和密封面表面粗糙度控制不严；

b. 丝堵与丝堵孔螺纹配合精度不合理；

c. 丝堵与垫片压紧处尺寸配合不好；

d. 垫片表面粗糙度没达到图纸要求，垫片偏薄，压紧后没有回弹力；

e. 管箱丝堵板硬度、丝堵硬度、垫片硬度之间的匹配未满足设计要求，而且垫片材料硬度也不均匀，个别硬度大，丝堵无法压紧；

f. 管箱焊接变形较大，在钻孔过程中由于内应力释放使得丝堵孔偏心，或加工的丝堵垫片凹槽深浅不一，以致在丝堵紧固过程中不能对中，造成垫片变形不均匀或凸出凹槽，起不到密封作用。

2.4 材料耐蚀性差

根据对国内高压空冷器使用情况调查，2007年以前空冷器主体材料为碳钢和低合金钢(板：Q245R、Q345R；管：10#、20#无缝钢管)，当时加工的原油质量好，设备使用没有任何问题。但之后加工高硫原油，85%以上设备均发生过发生泄漏。

3 控制措施

除了在工艺方面采用前期注水及加设脱硫设施等手段，空冷器设备方面的解决方法还有以下几种。

3.1 空冷器选型布置

在空冷器工艺选型计算时，根据介质组分，确定管程数以控制流速。一般碳钢空冷器，流速为4～6m/s。对于高合金材料(NS1402)，流速为7～9m/s，不但充分发挥合金材料良好的耐腐蚀性能，还可以提高传热效果，减少空冷器的数量，节省投资。

计算确定空冷器数量时，选择偶数对称布置安装，使得每台空冷器管束之间油、水和气相均匀分配，保证流速也相对一致。

3.2 空冷器选材

为解决腐蚀问题，在2007年以后投用或建造的加氢装置高压空冷器被要求主体材料选用Incoloy825(国产为NS1402)镍基合金，该材料具有优良的耐硫化物、氯化物腐蚀性能和加工性能。

由于高合金材料价格昂贵，对于腐蚀不太严重的工况，可以考虑管板采用碳钢，换热管采用耐蚀性好的825等耐蚀合金。因为经常有管箱腐蚀轻微而管子腐蚀严重的情况，严重时会爆管。这时只需提高管子的材料级别，并在管板内侧堆焊与管子相同的材料，保证管子与管板的焊接性能，可以节约约20%的材料成本。

3.3 丝堵密封结构的设计改进

提高丝堵孔密封面与丝堵孔中心线垂直度的设计精度。调整丝堵与垫片、垫片与丝堵孔密封槽的配合尺寸，适当加宽接触面尺寸，加大密封槽的深度，使垫片定位良好，解决垫片安装时窜动或压扁跑偏的问题。设计中合理选择丝堵孔螺纹与丝堵螺纹的配合精度。尤其对高合金材料，螺纹的配合不能过紧，否则易出现咬死现象，影响密封。适当增加垫片厚度，过去多用1.2mm，现改用1.5～2.0mm，以增加其承受丝堵的旋压能力，强化密封效果。

3.4 丝堵和垫片材料控制

丝堵和丝堵垫片材料选择要匹配。最好选择同类型材料，保证热膨胀一致。材料的硬度匹配原则为：管箱板>丝堵>垫片，而且每两者之间的硬度差最低为HB20。对于825合金材料空冷器，材料均相同，几乎没有硬度差，需要通过热处理来降低硬度，但达到理想的硬度差较困难。对825高合金材料丝堵，可采用固溶处理的棒料加工，一方面提高丝堵硬度，另一方面避免合金材料再加热，防止产生裂纹。

采购垫片材料时可通过控制碳含量小于0.03%来保证垫片硬度较小。

3.5 丝堵密封结构的加工及管箱焊接控制

提高丝堵孔密封面与丝堵孔中心线垂直度和螺纹的加工精度，最好采用数控钻床加工。丝堵垫片一般采用冲压成型，但冲压后毛刺较多，应使用专用工具对垫片表面研磨去除毛刺，表面粗糙度完全达到图纸要求，密封效果好。如用棒料加工垫片，其平面度和表面粗糙度更好，但加工费时。

空冷器管箱主焊缝很长，焊接时应采取合理的焊接方向、焊接顺序以及较低的热输入量等有效措施控制变形，保证丝堵板的平面度。

3.6 管头泄漏的控制

3.6.1加强管头连接

在空冷器制造中管子与管板的连接均采用焊胀结合的形式，尤其在高压空冷器中，管头一般采用填丝自动焊技术，先熔化焊再填丝焊，保证管头焊接强度。管头焊完后，采用柔性的液压胀进行贴胀，胀度应小于2%，避免过胀影响管头焊接质量。

3.6.2管头焊接应力控制

通常管头焊后会有较大的焊接应力，尤其是碳钢或铬钼钢，管头焊后要进行热处理以消除应力，以降低腐蚀倾向。如果没有热处理的条件，可用镍基焊材施焊，但应有焊接工艺保证。对于825合金材料的焊接，一定要保证管头的清洁，控制焊接电流及速度。

3.6.3增加管端衬管

为防止管头被介质冲蚀，对于碳钢管束，可在介质进口端增加不锈钢或钛钢衬管，衬管尾部应有过渡段，避免流体在此形成涡流，腐蚀基管。

3.7 检验控制

检验控制的要点有：

a. 逐个对丝堵表面进行100%PT检测，包括螺纹部位，尤其是两端面作重点检测，坚决杜绝棒料芯部缺陷；

b. 加强丝堵和丝堵孔螺纹加工后的检验是关键，对螺纹应逐个用通规和止规进行检查，并检查密封面平面度；

c. 管头焊接完毕后应将管束整体放入水槽中，管内通以0.175MPa的压缩空气做致密性试验，对管头进行检漏，合格后再进行胀接；

d. 管子胀接完后应对管头进行100%渗透检测，管头表面应无裂纹；

e. 空冷器制造完毕，应整体进行水压试验，对高合金材料制造的空冷器应控制水中氯离子含量(小于0.015‰)，检查管头及丝堵的密封性能，水压试验合格后，还应进行气密性试验或加入一定量的氦气，以增加检验的灵敏度，在水槽进行，再次检查空冷器的整体密封情况。

4 结束语

通过对空冷器易泄漏部位的分析及关键材料的选择、密封结构的改进、焊接工艺、加工方法及各检验过程控制，可以有效解决炼油装置空冷器的泄漏问题。确保炼油装置高压空冷器长周期安全运行。