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加氢换热器典型失效行为分析及其应对措施

文档作者：高晓斐１　钱峰２　钱锦远１费扬１金志江１文档来源：１．浙江大学化工机械研究所2．浙江玉泉环境工程有限公司		点击数：	更新时间： 2022年03月19日
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加氢换热器典型失效行为分析
及其应对措施
*
高晓斐**１ 　钱　峰２ 　钱锦远１ 　费　扬１ 　金志江１
（１．浙江大学化工机械研究所；２．浙江玉泉环境工程有限公司）
摘　要　基于加氢换热器典型失效行为的产生机理和表现形式，将其归纳为腐蚀破坏失效、结晶结垢失
效和密封泄漏失效３ 类，并对其进行了实例分析，同时提出相应的应对措施。
关键词　加氢换热器　失效行为　应对措施
中图分类号　ＴＱ０５１．５　　　文献标识码　Ａ　　　文章编号　０２５４-６０９４（２０１５）０１-００１１-０５
　　换热器是化工厂中重要的化工设备之一［１］，
是使热量从热流体传递到冷流体的设备［２］。加
氢换热器是加氢裂化装置的关键设备之一，主要
用于原料油与反应生成油的热量交换。由于加氢
换热器长期处于高温（２８０ ～５００℃）、高压（１４ ～
２０ＭＰａ）及临氢等恶劣工况条件下，设备材料不但
要耐高温、抗氢蚀，而且还要具有良好的综合机械
性能和回火脆性［３］。此外，由于设备内部介质属
于易燃、易爆物质，设备一旦发生泄漏，造成的损
失不可估量，因此开展对加氢换热器失效行为的
分析十分必要。
１ 　加氢换热器的失效行为分类
图１ 是一个典型的加氢换热器结构简图，其
主要由管程和壳程两部分组成，且一般在圆筒形
壳体中放置由许多管子组成的管束；管子的一端
或两端固定在管板上，其轴线与壳体的轴线平行。
通常情况下，为了增加管外流体的扰动、支撑管束
和改善传热特性，在筒体内安装折流板及折流栅
等折流部件。此外，图１ 所示的加氢换热器采用
了浮头式结构，且保温夹套结构的使用减少了装
置与外部环境之间的热交换［４］；固定螺钉保证了
设备的密封性和耐压性。
图１　加氢换热器结构简图
由于加氢换热器所处工况恶劣，且介质为原
油等成分复杂的流体，因此极易发生失效行为。
笔者根据目前已发生的各类失效行为的产生机理
和表现形式，将其归纳为腐蚀破坏失效、结晶结垢
失效和密封泄漏失效３ 类。
１ ．１ 　腐蚀破坏失效
腐蚀破坏是加氢换热器最主要的失效形式，
主要类型有氢腐蚀、氢脆、高温硫化氢腐蚀、应力
腐蚀、晶间腐蚀、冲刷腐蚀及回火脆性损伤
等［５ ～７］。腐蚀破坏最易发生在温差应力较大处、
有焊接残余应力处和管路弯头处［８］，以氢腐蚀与
应力腐蚀最为常见。
氢腐蚀是指在高温高压条件下，部分氢分子
分解成氢原子或氢离子，通过金属晶格、晶界扩散
进入金属材料，并与金属中的不稳定碳化物发生
第 ４２ 卷　第 １ 期　　　　　　　　　　　化　工　机　械　　　　　　　　　　　　 １ １
* *
* 浙江省科技计划重大专项项目（２０１２Ｃ１１０１８-１）。
高晓斐，女，１９９０ 年２ 月生，硕士研究生。浙江省杭州市，３１００２７。
化学反应生成甲烷气体；随着气泡数量的增加，其
在晶间空穴和非金属夹杂处聚集，导致局部压力
升高、应力集中，进而使晶界变宽，形成裂纹，并造
成钢强度和韧性下降。
应力腐蚀是指金属材料在静拉应力和腐蚀介
质共同作用下，表面的氧化膜受到破坏，形成阳极
和阴极，阳极处的金属成为离子而被溶解，进一步
腐蚀已破坏的表面；同时，在拉应力的作用下，破
坏处逐渐形成裂纹，并随时间逐渐扩展直到断裂。
应力腐蚀不仅可以沿金属晶粒边界发展，还能穿
过晶粒发展。加氢换热器在湿硫化氢环境和焊接
残余应力的共同作用下，很容易发生应力腐
蚀［９］。
１ ．２　结晶结垢失效
由于处于成分极其复杂的流体介质作用下，
加氢换热器在实际工况下极易发生结晶结垢失
效，其主要类型有化学反应结垢、类析晶结垢、粒
结垢、生物结垢及凝同结垢等［１０］，其中以化学反
应结垢最为常见。
加氢换热器内的化学反应结垢通常是指介质
中的硫化物、氮化物与加氢裂化过程中产生的氯
化氢反应生成的氯化铵在温度较低时结晶并附着
在换热管管壁上而产生的失效行为。该类失效会
降低换热器的传热系数、增大系统压降［１ １ ～１３］，进
而使系统能耗增加，严重时还会因管路堵塞引起
加氢换热器爆炸［１４，１５］。
１ ．３　密封泄漏失效
加氢换热器的操作介质易燃、易爆，且操作温
度和压力均很高，不允许有任何的泄漏。密封结
构设计是加氢换热器结构设计中最重要的环节之
一。通常情况下，其密封泄漏破坏可分为内泄漏
和外泄漏两类，以内泄漏最为常见。
内泄漏主要是指由于腐蚀或焊接质量问题等
原因，造成换热管与固定管板连接处、浮头密封处
及固定管板等开裂或破坏而引起的密封泄漏失效
行为［４］。内泄漏发生在换热器内部，不易被检测
到，造成的影响也较大。此外，螺栓预紧力不够、
温度与压力突然变化形成交变载荷也会引起加氢
换热器密封泄漏失效。
２　腐蚀破坏的应对措施
２．１ 　氢腐蚀破坏典型案例分析
某石化公司加氢换热器的运行工况如下：压
力为１４ＭＰａ、壳程为２９５ ～３００℃的高温裂解气，
管程为２８０ ～２８５℃的原料气。其管箱母材为２．
２５ＣｒｌＭｏ 锻件，内衬为两层不锈钢堆焊层（底层材
料为３０８Ｌ，表层材料为３０９Ｌ）；壳体和下封头材
料为２．２５ＣｒｌＭｏ，没有不锈钢堆焊层［５］。设备投
入运行两年后，发现管板壳体侧和周围壳体上均
出现腐蚀［５］。腐蚀主要发生在垫片的底部区域
（图２），其中垫片底座下局部腐蚀最为严重，腐蚀
坑最深处达１２ｍｍ，随着向下距离的增加，腐蚀厚
度逐渐减小。
图２　典型换热器腐蚀结构示意图
通过分析发现，加氢换热器靠近反应器，其入
口段介质和状态与反应器基本相同，操作压力大、
温度高，且介质中含有硫化氢，是典型的临氢环
境。由于在富氢环境中，氢作为间隙型原子不断
地侵入设备的硫化物腐蚀层，造成腐蚀层疏松多
孔，破坏了硫化氢腐蚀膜的保护作用，使金属原子
和硫化氢介质相互扩散渗透，对底座等结构进行
腐蚀［１６，１７］。因此，可采用奥氏体不锈钢防止此类
失效行为。奥氏体不锈钢表面的氢扩散度低，可
阻碍氢的活动，并可明显降低合金中的氢分压。
通过对装置进行现场补焊修复，补焊前进行表面
处理和预热，补焊后进行焊后热处理和焊后检测，
修复后设备运行正常。
２．２　应力腐蚀破坏典型案例分析
某石化公司氢化裂解装置的换热器由３２１ 不
锈钢制成。停机一段时间后，在４００℃ 下运行
４８ｈ，发现换热管在弯曲处产生裂纹［１８］。
为探究其失效原因，工作人员截取了部分裂
纹段作为试样，对其进行电子光学技术和Ｘ 射线
衍射分析，发现裂纹是由连多硫酸引发的应力腐
蚀产生的。由于硫化氢的存在，管子内表面有一
层含硫覆盖层，与停机时产生的凝结水反应形成
了连多硫酸；而Ｕ 形管通过冷弯加工，造成的位
错在一定界面上大量聚集，存在较大的残余应
力［１９］。残余应力和错位面的连多硫酸共同作用
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引发了应力腐蚀裂纹的产生［２０］。
为防止这类失效的再次发生，需将介质中的
硫除去［２１］。可以通过改变操作条件来防止连多
硫酸的形成［１８］，从而避免此类问题的发生。此
外，利用热处理消除焊接与冷加工的残余应力、进
行稳定化和固溶处理以及采用超低碳不锈钢等亦
可防止应力腐蚀的产生。
３　结晶结垢破坏的应对措施
３．１ 　氯化物结垢典型案例分析
某石化公司因柴油加氢精制装置改造需要，
于某年４ 月将重油加氢脱硫装置的４ 台不锈钢反
应器流出物的换热器用做精制反应流出物／混合
进料换热器。该换热器为非标Ｕ 形管换热器，管
束材料为ＳＵＳ３２１，壳程和封头内壁材料为
ＳＵＳ３４７［１５］。使用不到一个月，该组换热器的换热
效率就出现严重不足，仅为原有设计值的４０％。
为探究换热效率骤降原因，对换热器进行了
现场检查，发现管内没有结垢，管外壁有大量黑褐
色粉末状物质，并有大量黑色垢状物质牢固地附
着在管束表面。经对管束外表面的垢物进行成分
分析，发现其为ＦｅＳＯ４ 及ＦｅＣｌ３ 等。通过对换热
管表面进行水冲洗、化学清洗及钝化等清洗操
作［１５］，运行一个月后进行标定，换热效率达到设
计值的８０％，装置运行得到明显改善。
为防止此类失效的发生，通常可采用机械清
洗、化学清洗及超声波除垢等方法［１０］。机械清洗
一般采用喷射清洗和管内插入物清洗，其优点是
操作方便，但清洗时需拆卸设备，且易造成机械损
伤；化学清洗可避免这一缺点，其清洗更加全面，
但清洗要求较高，清洗剂的选择和配置较麻烦；超
声波除垢是一种新型除垢方法，目前已被应用在
石油化工等很多行业，但这项技术还未发展成
熟［１０］。此外，定期检查与维修对于解决加氢换热
器的结垢问题、提高其换热效率和工作寿命都具
有很大作用。
３．２　铵盐结垢典型案例分析
某石化公司建成投产一套催化重整装置，重
整装置预加氢进料换热器管程操作压力设计值为
２．２ ～２．８ＭＰａ，管程操作温度为３００ ～３９０℃［８］。
然而在运行过程中，设备中的加氢换热多次发生
管程堵塞故障，严重影响装置的正常生产。
通过分析发现，重整原料中的硫、氮及氯等元
素在预加氢反应中生成盐酸、硫化氢及氨气等，三
者反应生成硫化铵及氯化铵等盐类。氯化铵在常
温下为白色粉末，３６０℃时会升华，遇少量的水又
易结晶，换热管端部、换热管内及管板等流体速度
低的地方沉积，进而堵塞换热管。
由于硫化铵和氯化铵极易溶于水，通常可以
采用注水的方法来去除［８］。此外，减缓加氢换热
设备内高温结垢的措施还有：加快原油介质流动；
设备内使用翅片及折流板等插件，以增强对污垢
的冲刷作用；使用阻垢剂等［２２］。
４　密封泄漏破坏的应对措施
某炼化公司的加氢裂化装置的换热器采用绕
管式换热器。某次巡检中发现设备壳程放空口接
管处存在泄漏，因此将装置进行停工处理。经检
查发现，泄漏点位于放空管与上封头之间的角焊
缝靠近封头母材侧的熔合线上［２３］，裂纹状缺陷长
度约５ｍｍ（图３）。
图３　上封头与放空口连接处结构示意图
通过查阅工况记录发现，设备在前日下午４
点时，受系统电网停电影响，经历了一次紧急降
温、降压过程。反应器在６ 个小时内压力从
１４．１５ＭＰａ 降至３．７７ＭＰａ，温度从３８３℃ 降至
２８０℃［２３］。正常停工时，设备由于要经过较长时
间缓慢泄压、热氢带油及恒温解氢等步骤，间隙中
集聚的氢气可反向通过渗透溢出；而在设备紧急
泄压、降温的情况下，焊缝间隙中氢分压引起的拉
应力和不同金属材料因温度变化引起的热应力会
导致焊缝开裂，并最终导致设备泄漏［４，２４］。若在
本装置结构中设置信号孔，渗透的氢原子可变成
氢气跑掉，减少拉应力的产生，从而避免泄漏行为
的发生。
避免密封泄漏的发生，需要注意各个焊缝质
量，同时还需加强对工况的控制，尤其是温度和压
力的突然变化。
５　结束语
为减少加氢换热器的腐蚀失效，一方面应从
第 ４２ 卷　第 １ 期　　　　　　　　　　　化　工　机　械　　　　　　　　　　　　 １３
选材上着手，根据工艺需要选取合适的材料，如可
以尽量选取奥氏体不锈钢；另一方面应从加工工
艺质量上着手，特别是焊接技术需要严格把关，尽
量消除残余应力。另外，应降低加氢换热器原料
中的氯含量，以减缓腐蚀速度。对于易结垢设备，
可设置两台设备，定期轮换停工进行水冲洗或化
学清洗，在运行时也可以使用阻垢剂等。当然，设
备在运行时的定期检测和维修，也是减小突发事
故发生的重要措施。为减小加氢换热器的密封泄
漏问题，结构设计时在确保安全的前提下，尽量减
轻设备重量、减少设备主螺栓尺寸、降低设法兰尺
寸与重量及优先选用Ω 环密封结构等。随着石
油深加工产业的进一步发展，加氢换热器作为加
氢裂解的重要装置之一，其失效防范研究和工业
应用技术将得到重视与发展。
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（收稿日期：２０１４-０４-１５，修回日期：２０１５-０１-０５）
ＦａｉＩｕｒｅ Ｂｅｈａｖｉｏｒ ＡｎａＩｙｓｉｓ ｏｆ Ｈｙｄｒｏｃｒａｃｋｅｒ Ｈｅａｔ Ｅｘｃｈａｎｇｅｒ
ａｎｄ Ｉｔｓ Ｃｏｕｎｔｅｒｍｅａｓｕｒｅｓ
１４ 　　　　　　　　化　工　机　械　　　　　　　　　　　　　　　　２０１５ 年
ＧＡＯ Ｘｉａｏ-ｆｅｉ１ ，ＱＩＡＮ Ｆｅｎｇ２ ，ＱＩＡＮ Ｊｉｎ-ｙｕａｎ１ ，ＦＥＩ Ｙａｎｇ１ ，ＪＩＮ Ｚｈｉ-ｊｉａｎｇ１
（１．Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆＰｒｏｃｅｓｓ Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ，Ｚｈｅｊｉａｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｈａｎｇｚｈｏｕ ３１００２７，Ｃｈｉｎａ；
２．Ｚｈｅｊｉａｎｇ Ｙｕｑｕａｎ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｈｕｚｈｏｕ ３１３０２３，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ　Ｂａｓｉｎｇ ｏｎ ａｎａｌｙｚｉｎｇ ｔｈｅ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ａｎｄ ｆｏｒｍｓ ｏｆ ｔｈｅ ｈｙｄｒｏｃｒａｃｋｅｒ ｈｅａｔ ｅｘｃｈａｎｇｅｒ’ｓ ｆａｉｌｕｒｅｓ，ｔｈｅ
ｆａｉｌｕｒｅ ｂｅｈａｖｉｏｒｓ ｗｅｒｅ ｄｉｖｉｄｅｄ ｉｎｔｏ ｔｈｅ ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ ｆａｉｌｕｒｅ，ｔｈｅ ｃｒｙｓｔａｌ ｓｃａｌｉｎｇ ｆａｉｌｕｒｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｓｅａｌ ｌｅａｋａｇｅ ｆａｉｌｕｒｅ，
ａｎｄ ｔｈｅｓｅ ｓｐｅｃｉａｌ ｆａｉｌｕｒｅ ｆｏｒｍｓ ｗｅｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ ｔｏ ｐｒｏｐｏｓｅ ｔｈｅｉｒ ｃｏｕｎｔｅｒｍｅａｓｕｒｅｓ ｓｏ ｔｈａｔ ｔｈｅ ａｃｔｕａｌ ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ
ｃａｎ ｂｅ ｂｅｎｅｆｉｔｅｄ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ　ｈｙｄｒｏｃｒａｃｋｅｒ ｈｅａｔ ｅｘｃｈａｎｇｅｒ，ｆａｉｌｕｒｅ ｂｅｈａｖｉｏｒ，

ｃｏｕｎｔｅｒｍｅａｓｕｒｅｓ
　　（上接第１０ 页）
Ｒｉｓｋ ＡｎａＩｙｓｉｓ ｏｆ ＣｙｃＩｏｈｅｘａｎｏｎｅ Ｏｘｉｍｅ Ｒｅａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔ
Ｒｅａｃｔｏｒｓ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｆｕｚｚｙ ＦＭＥＡ
ＧＵＯ Ｆａｎ，ＹＵ Ｘｉａｏ-ｃｈｕｎ，ＹＵＡＮ Ｄｏｎｇ-ｍｉｎｇ
（Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌ ａｎｄ Ｐｏｗｅｒ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｎａｎｊｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｎａｎｊｉｎｇ ２１１８１６，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ　Ｔｈｒｅｅ-ｓｔａｇｅ ｃｏｎｓｅｃｕｔｉｖｅ ｒｅａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔ ｒｅａｃｔｏｒ ｉｓ ｔｈｅ ｍａｉｎ ｄｅｖｉｃｅ ｆｏｒ ｃｙｃｌｏｈｅｘａｎｏｎｅ ｏｘｉｍｅ’ｓ Ｂｅｃｋｍａｎｎ
ｒｅａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔ ｒｅａｃｔｉｏｎ．Ａｉｍｉｎｇ ａｔ ｔｈｅ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｎ ｔｈｅ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ，ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｆａｉｌｕｒｅ
ｍｏｄｅ ａｎｄ ｅｆｆｅｃｔ ａｎａｌｙｓｉｓ （ＦＭＥＡ）ｗａｓ ａｐｐｌｉｅｄ ｔｏ ｔｈｅ ｒｅａｃｔｏｒ ｆａｉｌｕｒｅ ａｎａｌｙｓｉｓ，ｂｕｔ ｉｔｓ ｌｏｗ ａｃｃｕｒａｃｙ ｅｘｉｓｔｓ．Ｔｈｅ
ｆｕｚｚｙ ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅ ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ｗａｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ｔｏ ｔｈｅ ｍｏｄｅｌｉｎｇ ａｎａｌｙｓｉｓ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ｔｈｅ ａｎａｌｙｔｉｃ ｈｉｅｒａｒｃｈｙ
ｐｒｏｃｅｓｓ （ＡＨＰ）ｔｏ ｄｅｔｅｒｍｉｎｅ ｂｏｔｈ ｗｅｉｇｈｔ ｖｅｃｔｏｒ ａｎｄ ｒｉｓｋ ｌｅｖｅｌ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｉｓ ｆｕｚｚｙ ＦＭＥＡ
ｑｕａｎｔｉｔａｔｉｖｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｍｅｔｈｏｄ ｃａｎ ｍａｋｅ ｔｈｅ ｓａｆｅｔｙ ａｓｓｅｓｓｍｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ｒｅａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔ ｒｅａｃｔｏｒ ｍｏｒｅ ｒｅａｓｏｎａｂｌｅ．
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　　长输管线防腐保温工程技术及装备（彩插９）
　　在线色谱及分析仪表成套装置（彩插１０）
　　放射性检测仪表及技术服务（彩插１ １）
　　化学工业设备质量监督检验中心（彩插１２ ／
１３）
浙江东瓯过滤机制造有限公司（彩插１４）
上海卓旋化工科技有限公司（彩插１５）
浙江久立特材科技股份有限公司（彩插１６）
单色
浙江力普粉碎设备有限公司（单插１）
江阴市长江钢管有限公司（单插２）
常州市佳友干燥设备有限公司（单插３）
上海迅昌化工装备技术研究所（单插４）
广州市东山南方密封件有限公司（单插５）
上海申银机械（集团）有限公司（单插６）
第 ４２ 卷　第 １ 期　　　　　　　　　　　化　工　机　械　　　　　　　　　　　　 １５

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