一台高压换热器失效分析

王 露

一台高压换热器失效分析

王 露

（上海河图工程股份有限公司，上海 201203）

某炼厂柴油加氢装置一台高压换热器开工10个月时出现几乎没有换热效果的问题，结合生产时的运行参数及现场检修情况对换热器的失效原因进行分析。结果表明：油品的结焦积垢导致壳程堵塞，从而引起该换热器失效。通过对该换热器失效原因的分析，为避免出现类似问题积累经验。

柴油加氢；高压换热器；失效分析；结焦积垢

笔者单位为某炼厂设计的200万t·a-1柴油加氢装置，运行10个月左右接到业主反馈问题，一台高压换热器（反应器产物-加氢精制原料换热器Ⅰ）开工不久后即出现换热效果差，近期监测的数据显示几乎没有换热效果，从而导致整个装置生产负荷不足，请笔者单位协助分析原因并给出处理方案。

高压换热器操作工况苛刻，投资高，对整个装置的生产起着至关重要的作用。高压换热器失效的原因也多种多样，主要有介质腐蚀或冲蚀导致换热管穿孔引起的失效，高压换热器分程隔板等内部结构件损坏引起的失效，介质堵塞设备引起的失效以及密封失效等。本文结合设备运行的参数及现场检修的实际情况，对该换热器失效的原因进行详细分析，并提出了避免类似问题发生的处理措施。

1 装置及设备的基本情况

1.1 装置工艺流程简介

与该设备相关的工艺流程简述如下：原料油由两路进装置，一路为加氢改质原料，由催化柴油及部分直馏柴油组成，经过原料油自动反冲洗过滤器除去大于20 μm的固体颗粒，进入加氢改质原料油缓冲罐，再经进料泵（P-102AB）升压至13.4 MPa，经反应器产物-加氢改质原料换热器（E-102）及加热炉升温，加热至反应所需温度后进入加氢改质反应器（R-101）。另一路为加氢精制原料，为直馏柴油，经过原料油自动反冲洗过滤器除去大于20 μm的固体颗粒，进入加氢精制原料油缓冲罐，再经进料泵（P-104AB）升压至12.4 MPa，经反应器产 物-加氢精制原料换热器Ⅰ（E-101）及反应器产 物-加氢精制原料换热器Ⅱ（E-103）升温并与加氢改质反应器（R-101）的出口流出物混合后进入加氢精制反应器（R-102），反应产物经3台高压换热器（E-101、E-102、E-103）冷却后进入后续流程。上述工艺流程的简图见图1。

图1 工艺流程简图

1.2 设备的基本情况

1.2.1 设备的设计参数

失效换热器为反应器产物-加氢精制原料换热器Ⅰ（E-101），该换热器为一台高高压螺纹锁紧环U形管换热器，管程介质为加氢改质反应产物，壳程介质为加氢精制原料油（直馏柴油）。该换热器公称直径1 000 mm，换热管直段长度为6 000 mm，管程、壳程均为2程，详细的换热器的设计参数见 表1，换热器简图见图2。

图2 换热器（E-101）简图

表1 换热器（E-101）设计参数

1.2.2 现场运行参数

业主反馈了现场测得的压力、温度的运行参数，详见表2。

表2 换热器（E-101）运行参数

2 初步分析

根据现场反馈的运行参数，管程进出口温差约5.4 ℃，进出口压降约0.068 MPa，壳程进出口温差约8.6 ℃，进出压降约1.802 MPa。笔者单位工艺专业首先排除了工艺流程和换热计算的问题，设备专业分析如下：

1）从选材上看，该换热器管程壳体材质为12Cr2Mo1(H)锻堆焊不锈钢，管束选用不锈钢，壳程壳体材质为15CrMoR，选材满足要求，排除材质腐蚀问题导致的换热器失效。

2）从温度变化上看，该换热器壳程设计温升应为157 ℃（进口113 ℃、出口270 ℃），而实际只有8.6 ℃，几乎没有换热效果。导致换热器没有换热效果的原因通常考虑是壳程或管程短路。换热器内部结构件失效或是管、壳程堵塞均会使得管、壳程短路。其一，从内部结构件失效考虑，该换热器管程、壳程均为2程，螺纹锁紧环换热器内部结构复杂，且设备工况苛刻，操作压力、操作温度均较高，管、壳程进出口又在同一轴线位置，若管、壳程分程隔板结构密封失效，则管、壳程短路。其二，管、壳程如果存在介质堵塞也会影响换热器的换热效果。

3）从压降变化上看，管程压降正常，而壳程压降过大，壳程原料油可能结焦积垢。

从以上的初步分析可以看出，如果现场反馈数据无误的话，导致换热器几乎没有换热效果的原因可能是壳程结焦积垢。将初步分析结果汇报给业主，业主停工检修这台换热器。

3 现场检修

换热器的管箱螺纹锁紧环打开后，发现管程的分程隔板、分程箱等均完好。继续将管束抽出后，该换热器失效的原因就一目了然了，为壳程结垢堵塞导致，换热器现场照片见图3、图4。

图3 换热器现场照片一

图4 换热器现场照片二

4 原因分析

4.1 直接原因分析

从图3、图4可以看出，换热管束之间的空隙几乎被完全堵塞。该换热器为双壳程，壳体中间设置分程隔板，介质为下进上出，原料油冲开分程隔板的密封条后（从图4可以看出，壳程分程隔板密封条变形严重，原密封条应是向下弯曲，实际的密封条变形为向上弯曲。壳程分程隔板密封条设计结构详见图5），直接从上部出口流出。壳程介质堵塞短路导致了这台换热器失效。

图5 壳程密封条设计结构

4.2 根本原因分析

观察实物可以发现，换热器壳程有大量的沉积物附着在换热管束上，有较硬的层状物。柴油原料油品的结焦积垢是导则这台换热器失效的根本原因。

柴油的结焦结垢与原料的油品性质、组成密切相关，还跟工艺流程及操作有很大关系，根据文献，柴油油品结焦积垢主要有以下原因：

1）柴油加氢原料主要由二次加工柴油组成，烯烃、二烯烃等不饱和化合物含量较高，尤其是二烯烃，受热后易发生Diels-Alder环化反应和聚合反应生成大分子化合物，这些大分子化合物沉积在换热器表面，容易造成换热器结垢。

2）在原料的储存和生产过程中，原料与空气中的氧接触，使其含有一定的溶解氧，在较高的温度下，溶解氧和原料中的硫、氮等杂原子分解生产活性自由基，引发自由基链反应，形成高分子聚合物缩合生焦，堵塞下游设备。

3）柴油加氢装置经常掺炼焦化汽油、焦化柴油，焦化汽油、焦化柴油中除不饱和烃类含量较高外，还含有少量细小焦粉，这些小焦粉具有很强的吸附性，易于在聚合反应中形成有机大分子化合物粘结在一起，使焦垢颗粒逐渐长大，当其长大到物流不能携带其继续向前时就沉积在设备表面。

4）原料油在反应器内反应温度不均匀局部升温，也可能生焦，堵塞下游换热器。

5）原料油未设置过滤器或过滤器失效，也有可能堵塞下游设备。

5 结 论

柴油原料的结焦积垢是导致这台高压换热器失效的根本原因，可以从以下几个方面采取措施加以控制。

1）严格控制原料油品的质量。原料油中的烯烃、二烯烃、杂质含量应严格控制，油品质量差时考虑设置加氢原料预处理，抑制油品的结焦积垢。

2）加强对原料油品储存、运输等方面的管理。料储罐采用氮封，避免原料油与氧气接触。

3）掺炼油品应经过严格论证，尤其掺炼焦化汽油、焦化柴油时，应引起格外注意。

4）反应器选择合适的催化剂，并控制合理的空速及停留时间、氢气补给量，采用设计合理的反应器内件，避免反应器温升不均匀，避免局部高温，从而避免原料油在反应器内生焦。

5）使用自动反冲洗过滤器，加强对过滤器的运行管理并监控过滤器的使用效果。

6）选择使用合适的阻垢剂。

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Failure Analysis of a High Pressure Heat Exchanger

(Shanghai Hoto Engineering Inc., Shanghai 201203, China)

A high pressure heat exchanger in a diesel hydrogenation unit of a refinery had almost no heat exchange effect after 10 months of operation. Combined with the operation parameters and on-site maintenance situation, the failure reason of the heat exchanger was analyzed. The conclusion was that the coking and fouling of the oil led to the blockage of the shell side, which caused the failure of the heat exchanger. Through the analysis of the failure reasons for the heat exchanger, some experience has been accumulated to avoid similar problems.

Diesel hydrogenation; High pressure heat exchanger; Failure analysis; Coking and fouling

2021-09-05

王露（1982-），女，河南省淮滨县人，工程师，2005年毕业于郑州轻工业大学，研究方向：石油化工设备设计。

TQ051.5

A

1004-0935（2022）03-0367-04