有机硅装置换热器泄漏原因分析及解决措施

张洪亮，霍志国，曾国海

（中国石油吉林石化公司，吉林吉林 132021）

0 引言

某公司有机硅装置目前装置已运行多年，但在生产过程中设备出现的各种故障给装置平稳运行带来了很大影响。除有机硅装置技术瓶颈外，换热器的频繁泄漏也制约着装置的正常运行。如有机硅装置300#单元中切塔冷凝器的泄漏导致中切塔进水，使塔内物料水解，造成塔内填料严重腐蚀，迫使整个有机硅装置全线停车，给工厂带来极大的影响。

1 有机硅装置换热器

有机硅装置换热器占设备总量约34%，其中钢制管壳式换热设备共计85台，占换热器总量的74%；石墨换热设备共计26台，占换热器总量的23%，两者占总量的98%。有机硅装置换热设备种类较多，而且根据物料不同换热器的选用材质也不同。如有机硅吸收解析及氯甲烷合成系统有HCl等强腐蚀性物料，换热器材料是由耐盐酸腐蚀的石墨及哈氏合金（Hastelloy Alloy，注：美国哈氏合金国际公司所生产的镍基耐蚀合金商业牌号的统称）构成；裂解系统对物料所含杂质要求较高，换热设备材质较多用不锈钢；单体合成系统及分馏系统由于物料本身没有腐蚀性，所有设备的材料均为碳钢。经过4年生产运行，其中单体合成系统及分馏系统中换热器的检修率居高不下，不同材料的换热器，泄漏的原因也不相同。单体合成系统及分馏系统内物料为混合单体（甲基氯硅烷单体），此物料遇水生成盐酸及水解物，能够腐蚀碳钢设备。

近阶段钢制管壳换热器泄漏率较高，因此以下重点分析钢制管壳换热设备的泄漏问题。

2 钢制管壳式换热设备泄漏原因

从泄漏的位置和泄漏的情况来看，它可分为腐蚀泄漏、磨损泄漏和静密封失效泄漏等3种类型。原因在于设备制造存在固有缺陷，操作参数波动引起的疲劳破坏，以及设计、结构和质量控制方面的缺陷。

2.1 制造过程中的缺陷导致泄漏

焊接质量是换热器制造上的关键。当热交换器管与管板焊接时，在焊接接头的两侧形成热影响区，该热影响区是焊接接头的薄弱部分，并且角焊接接头本身具有应力集中，存在焊接热应力，管板密集开裂，焊接热影响大，应力集中点大，容易产生微裂纹。如果遇到腐蚀环境的影响，会导致换热管接头泄漏。管和管板的焊接结构的特征在于具有紧密布置的小圆形单道焊缝，并且管板厚。如果焊接过程不合适，很容易引起焊接缺陷，例如焊接熔合不良，裂缝和毛孔。这些缺陷受到操作过程中交变应力的影响，特别是当焊缝厚度薄，承载能力小，裂纹扩大，导致泄漏时。这已成为换热器失效的普遍原因。

2.2 操作因素导致泄漏

（1）在热交换器运行期间，由于过程运行不规律等因素，设备的工作压力不稳定，温度的突然变化引起热应力。这些操作因素的波动将引起垫圈在热交换器管板凸缘的静态密封表面上的预加载力的变化。重复循环导致垫圈恢复到较差的弹性和蠕变，导致法兰螺栓松动并且密封失效。如有机硅装置单体合成系统及分馏系统中用于氯硅烷单体冷却的浮头式换热器，多次由于小浮头盖密封失效导致水与单体接触，反应生成的HCl，加剧了设备内部浮头盖密封面及换热管束的腐蚀损坏速度，如发现处理不及时还将造成与整个系统相连的其他设备及管道阻塞及腐蚀泄漏。

（2）由于有机硅装置生产工艺本身的特点及由于工艺操作不规范等因素导致有机硅装置各工序的物料中所含的氯离子数量不定，及物料pH值波动等原因造成换热器腐蚀泄漏。例如在有机硅装置原500#脱氯系统中的不锈钢换热器及管线，长期在Cl-环境中发生应力腐蚀，导致热交换管和管板接头之间的接头处的焊接。

（3）由于设备相关管线设计安装位置不合理，造成工艺无法正常操作，导致设备腐蚀。如有机硅氯甲烷合成系统的甲醇蒸发器设计安装位置低，系统中的少量盐酸经甲醇气出口管线流至甲醇蒸发器内，造成碳钢管束局部腐蚀。

2.3 换热器检修过程中造成的腐蚀

由于有机硅装置物料的特殊性，如果为氯硅烷单体换热的设备泄漏后，单体物料与水接触反应，生成盐酸和水解物，盐酸不仅腐蚀设备，固体水解物还阻塞管束缝隙。因此泄漏的换热器需及时检修，清理管束。目前经常使用高压水清洗换热器管束，虽然大部分管束表面能够清洗干净，但管板内侧与换热管根部缝隙内的物料无法清理彻底，形成污垢堆积在缝隙内，且此污垢与水接触已显酸性，透过换热管根部缝隙对管板焊缝及换热管本身造成腐蚀。这是有机硅装置氯硅烷单体冷凝器泄漏的原因之一。

3 解决换热器泄漏的措施

3.1 按照换热器的制造标准执行

目前有机硅近期新做的大部分换热器都存在着共性问题—管板与换热管的焊缝高度不够。为确保焊缝强度，需增加焊缝高度和焊缝数量。

首先，有必要增加在原设计中从管板突出的换热器管的长度，以确保其为（3～4）mm，热交换管相对于管板的延伸长度L1=1.4S，其中，S是管壁厚，焊角角度的高度可以增加到＞3 mm，并且在焊接期间喷嘴不能熔化。热交换管和管板应形成角焊缝。换热管末端应除锈，防锈长度应≥2倍管子直径，≥25 mm。其次，有必要采取多道焊接方法来减少毛孔等焊接缺陷的发生。由于焊缝表面或内部孔隙的一层可能深或甚至穿透沉积的金属，多道焊接可以大大减少焊接缺陷的机会。同时也增加了熔敷金属厚度。为此，应使用水平固定手动钨极氩弧焊或垂直提升手工电弧焊。焊接层数至少保证两层。这将确保焊缝的强度得到充分保障。此外，必须彻底清除焊接区域的油污、铁锈、水垢和其他杂质，并具有良好的氩气保护，以减少焊接缺陷的产生。必要时进行适当的焊后热处理。对于易受应力腐蚀的焊接，可根据需要进行焊后热处理，以消除焊接残余应力并减少管板上的应力集中。

3.2 在大修过程中需要控制的关键点

（1）换热器清洗。由于大型列管换热器管束较多且排列较密，高压水清洗时，对管板内侧与换热管根部缝隙内的污垢要彻底清洗避免腐蚀发生。清洗后，要及时对管束烘干处理，避免水分长时间在管束上停留。

（2）密封垫片安装。在由法兰、螺栓、垫片组成的静密封系统中，三者互相依赖，只要其中之一出现问题，就会导致泄漏。垫圈的尺寸应准确，以确保垫圈的安装精度。非金属软垫圈不应用于内部连接垫圈，如浮头。对易泄漏的浮头式换热器的小浮头法兰要及时进行有效预紧，或加装预紧碟簧以补偿预紧力。

（3）管板—换热管焊缝泄漏修复。实践证明，有机硅装置尤其是单体合成系统及分馏系统的混合单体换热器，只要管板—换热管焊缝泄漏过一次，如没有彻底对焊缝处理，仅对泄漏处补焊的，使用周期非常短，并且造成恶性循环。修复方法有3种：①补焊。对管板上的列管周围焊肉均匀向下打磨，着色检查，至裂纹为止。不建议将列管周围焊缝抛光得太深而不能露出管的横截面外径。因为管子与管板之间存有一层锈，如果焊肉打磨过深，在焊接过程中污垢和熔融金属会向上翻腾，这可能会导致焊接缺陷，如飞溅、气孔、夹渣等。②堵管。热交换管本身泄漏并且可以通过堵塞方法进行修理。堵管所用的堵头应有一定的锥度，直径比换热管的内径大1 mm，其材料可与换热管相同或相近，最后进行封焊。③换管。将换热管管端焊缝处先钻除，将整根管子拔出。换热管取出后需要清理管板孔，将同材料、同规格的管子换上，进行焊接。

3.3 改变换热器的结构形式

（1）用U形管换热器更换浮头式换热器。与浮头式换热器相比，由于浮头密封被移除，管束的静密封点减少，U形管式热交换器的管束不易发生内漏，即使发生内部漏，也很容易处理，特别是在寻找泄漏时，不需要太多的工具；当寻找内部泄漏时，浮头式热交换器需要大量的特殊工具，操作麻烦。使用状态下的受力状态良好，特别是当管长度的温差大，每个管道工艺的温度不同时，单管工艺的热管的温差应力可以自由平衡。它不受浮动管板的限制，这有利于保护热交换管。使用过程中操作更灵活。然而，U形管中的清洁是困难的并且更换不方便。适用于冷热流体温差大，管子清洁，不易结垢的场合。

（2）用双管板换热器取代浮头换热器。双管板结构换热器对绝对限制管程和壳程的两种热交换介质的相互渗透性具有特殊效果。双管板结构不仅可用于固定管板式热交换器，还可用于U形管、浮头或其他形式的热交换器。管板结构的换热器比单管板更难以制造，成本高，并且维修不容易。

3.4 加强人员培训

提高工艺操作水平，避免换热器的工作压力、工作温度、物料pH值等工艺参数的大幅度波动。尽量减少装置的开停车次数，为换热器长期稳定运行创造条件。