高温高压临氢换热器腐蚀原因与修复

王道全

摘要：本文通过分析这种临氢换热器在高温高压下腐蚀的原因，全面介绍了关于在腐蚀设备现场所能采用的修复方法，涉及的关键修复工艺包括安全防护与施焊操作包括腐蚀表面加工、预热、检验及焊后热处理。其中堆焊层材料采用ER309LSi不锈钢可以一定程度上有效减轻高温氢-硫化氢环境对换热器的腐蚀。

关键词：临氢设备；高温高压；修复；腐蚀分析

某工厂采用日本制造的BBS规范标准的立式U型管式换热器，在加入加氢裂化装置反应流出/反应进料后物换热器EA101A/B产生腐蚀和损坏。此换热器与反应器的位置比较接近，反应腐蚀的侧面与反应器处于相近的腐蚀环境，都具备较高的温度和操作压力，腐蚀环境属于反应介质临氢的硫化氢。在两年里设备运行基本正常，两年后换热器A和B两管的周围壳体及板壳体侧都已经出现不同程度的腐蚀，其中A管腐蚀严重，B管轻微腐蚀，A管最大腐蚀深度达12毫米。本文先分析了腐蚀原因，并总结了现场修复补焊的方法。

一、关于高温高压临氢换热器腐蚀原因

（一）关于换热器的介绍和腐蚀表现

换热器主要是用来收集高温高压下加氢反应催化条件产生的热量，同时将原料气加热。当高温裂解气达到295～300℃，在压力达到十四MPa时，可以与280～285℃原料气交换热量。这种高温临氢硫化氢腐蚀条件促使壳程、换热器管遭到腐蚀。由2.25Cr1Mo的锻件作为母材材质的管箱，内衬表层是309L、底层是308L的堆焊层，下封头和壳体和管箱使用一样的材质，只是没有配备不锈钢堆焊层。在年检中发现换热器A和B两管都出现了腐蚀，A管腐蚀比较严重，壳体下部延伸出500mm的垫片底部发生较深层次的腐蚀，最浅的腐蚀处达12毫米，如果腐蚀速率继续大于3mm/a，垫片底部腐蚀厚度达到16.5mm时，会出现壳体塌陷的结果。

（二）分析腐蚀原因

形成腐蚀的原因主要有两个，一是高温硫化物本身在富氢环境中腐蚀性较为复杂，氢可以破坏硫化氢保护膜不断进入硫化物腐蚀层，加速金属腐蚀。H2S浓度和高温时硫化氢是影响腐蚀速率的主要因素，通过研究数据显示当温度超过316℃时硫化氢的腐蚀便可以加剧。二是换热器容易被腐蚀区域本身作为气体滞留区域，没有很好的导热功能，温度下降比较慢，这种情况下H2S大量滞留增加浓度的同时也会加大腐蚀性。

二、关于腐蚀后换热器的修复方法

（一）换热器表面修复

经过机械锻造加工后的换热器壳体某种程度上存在一定误差，椭圆度在半自动焊接的情况下不是百分之百能够保证做到。壳体表面附一层一至两毫米厚的硫化铁颗粒物，这种物质是腐蚀带来的产物，需要现场机械去除。去除表层覆盖物大概三毫米厚便可防止修复过程中出现气孔和裂纹。另外采取干燥、清洁、去润滑油措施保持表面干净，可以提高修补质量。

（二）规定温度预热

由于换热器底部垫片是2.25Cr1Mo材质，壁厚大概是300毫米，高温预热的补焊方法是可行的。二百摄氏度时高温预热的温度临界点，预热温度达到要求时进行补焊，焊后热处理一定要在焊接完成并且客体温度降回环境温度之前完成。手动控制预热温度可以保证操作人员的安全，将电偶温度计放入壳体内进行温度监测，每当加热至预热温度时可以停止加热关闭电源，操作人员可以再次进入容器进行补焊，当温度低于预热温度时再进行手动加热，这样直至补焊工作完成。

（三）补焊的防护措施和操作方法

1、操作方法

施焊可以采用分区分层操作，第一层施焊操作区域是长一千二百五十毫米，高五百毫米的圆周区域，在特制的沿环自动焊接装置上安装焊枪，第一区域施焊完成后焊枪自动返回原始位置，在绝缘箱完成一百二十度旋转后，开始采用与之前相同的操作，注意不同焊区之间的光滑过度。圆周补焊完成后升至腐蚀较严重的顶部，完成垫片下二百毫米区域的补焊工作，垫片下共完成第二层和第三层补焊，并且注意光滑过度。

2、防护措施

整个补焊工作需要在高温二百攝氏度的换热箱内完成，十分危险并且由触电可能。采用可以升降的特制绝缘箱能够随时把操作箱升到容器外面，为操作者提供足够的箱内空间，这样大大减少了触电风险。另外在容器外设有外保温箱，在保温箱的底部利用环形通风管将凉风吹入容器，确保操作人员始终处于降温的环境。并且安装氧气和温度检测系统在容器外密切监视容器内情况，确保容器内人员人身安全。

（四）正确操作焊后热处理

695℃是理论热处理温度，20℃也是理论热速率，但是在壳体五十毫米至三百毫米的渐变厚度作用下，可以允许热处理存在二十度左右温差。热处理后要持续六个小时的保温，然后以20℃/h的速率进行冷却，当温度降至四百度时，开始自然冷却。

（五）焊接后的检验注意事项

这种由试验程序设定工艺参数的半自动焊接，出现焊接缺陷的概率小之又小。另外马氏体转变的可能性在二百摄氏度的高温预热操作下也变得很小，因此这种焊接操作基本不可能产生裂缝。这样只有表面裂纹和针孔是可能出现在补焊层的缺陷类型，由于焊接表面大约一点五毫米以下的焊接伤用超声波侦探难以发现，因此可以另外采用渗透式方法进行检验，清洗补焊壳体表面是检验前的必备程序，只有在检验过程中没有发现任何瑕疵和缺陷，焊接质量才能够算做合格。

结语：

总之，只有采取先进的工艺和补焊方法，配合得当的安全防护措施才能够成功完成补焊修复工作。焊接完成一年后一定要进行定期检修，把腐蚀速率和腐蚀程度均控制在合理范围内，这样才能保证修复过的换热器设备良好运转。本次的焊接和修复工作为高温高压临氢换热器的修复积累了经验。

参考文献：

[1]米杰.高温、高压、临氢设备设计分析[J].化工设备与管道， 2006，（6）.

[2]王荣贵，汪渝.高温氢和硫化氢混合气体对设备的腐蚀及防护[J].化肥设计，2005，（1）.

[3]中国机械工程学会焊接学会. 焊接手册（第三版）[M].北京：机械工业出版社2008.

[4]国际焊接学会. The WRC-1992 Diagram[J]. Svetsaren，1993， 47 （2）.