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加氢装置高压换热器开裂原因分析及对策

文档作者：刘殿如,黄景峰,高楠,李晓鹏,王天廷文档来源：沈阳中科韦尔腐蚀控制技术有限公司		更新日期： 2026年05月29日	点击数：
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上一篇：气体发生器发展趋势研究

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􀪓􀪓􀪓􀪓􀪓􀪓􀪓􀪓􀪓􀪓􀪓 收稿日期:２０２０Ｇ１２Ｇ２３.
作者简介:刘殿如,男,２０１１年毕业于中国石油大学(华东)
材料化学专业,主要从事炼化装置大检修期间腐蚀调查工
作,工程师.
Email:１８６４０４３９８３２＠１６３．com.
加氢装置高压换热器开裂原因
分析及对策
刘殿如,黄景峰,高　楠,李晓鹏,王天廷
(沈阳中科韦尔腐蚀控制技术有限公司,辽宁沈阳１１００００)
　　摘　要:文章介绍了某炼油厂加氢裂化装置反应流出物/低分油换热器(E１０６A)０Cr１８Ni１０Ti材质管束
爆管情况,结合该换热器管、壳程工作条件和防腐措施,利用内窥镜检查、光谱材质分析及硬度性能分析、金
相及扫描电镜分析等方法对爆管样品进行了综合分析,并同时采用XRD和能谱对结晶物进行分析.结果表
明:E１０６A换热器管束内壁存在NH４Cl结晶,当注水量不足时,NH４Cl水解形成的酸性环境提高了奥氏体
不锈钢Cl－ 应力腐蚀开裂的敏感性,从而导致该换热器管束发生穿晶型应力腐蚀开裂,当裂纹延伸到一定程
度后发生爆管.针对以上腐蚀开裂原因,从工艺控制和设备选材等方面提出了相应的防腐建议和措施.
关键词:加氢换热器　奥氏体不锈钢应力开裂　加氢结盐　加氢注水
doi:１０．３９６９/j．issn．１００６－８８０５．２０２１．０２．００４
　　某炼油厂加氢裂化装置于１９９５年９月建成
投产.其原料油主要是常减压直馏蜡油,可以掺
炼部分焦化蜡油抽余油和外购蜡油.氢气由制氢
装置及氢气提纯装置提供.
２０１８年７月１７日,因脱丁烷塔安全阀启跳,
无法复位,且脱丁烷塔顶干气含氢气７８％,因此
确认高压换热器出现内漏,装置开始停工检修.
经打压试漏发现,高压换热器反应馏出物/低分油
换热器(E１０６A)管束出现泄漏.
高压换热器泄漏问题在加氢类装置中属于比
较常见问题,对该问题原因进行分析,并提出相应
控制措施,可避免此类问题再次发生.
１　工艺概况
高压换热器E１０１、E１０２、E１０３、E１０４A/B、
E１０５、E１０６A/B串联连接,反应产物自E１０６A 上
半管程流入,流入温度为２３０ ℃,从E１０６B下半
管程流出,流出温度为１６０℃.壳程为低分油,逆
向进行换热,E１０６B 壳程进口温度为５０ ℃,
E１０６A 壳程出口温度为１９８ ℃.换热网络见
图１.E１０６A 管程操作压力为１６．４１ MPa,壳程
操作压力为１．９０MPa,操作压差为１４．５１MPa.
为防止高压换热器铵盐析出,在E１０５(反应
流出物/循环氢换热器)前、E１０６前、A１０１(空气
冷却器)前设置注水点,当反应产物流经换热器后
换热效率下降或者压降过大时,通过采用E１０６A
前临时注水的方式对析出的NH４Cl进行冲洗,缓
解压降并改善换热效率.注水方式均采用一股水
直接注入系统的方式.
E１０６A 为U 形管式换热器,双管程、单壳程.
其壳体材质为１５CrMo(H)/Q３４５R;管束材质为
０Cr１８Ni１０Ti,规格为６０００mm×１９mm×２mm
(换热管长度×直径×壁厚).
２　检验分析
２．１　内窥镜检验
采用内窥镜对管束出现内漏的E１０６A 内部
进行检查,发现该管子距管板６．２m 处内弯部位
断裂(正处于U 形弯部位),见图２.观察换热管
断口,未发现管壁厚显著减薄,其中一侧断面较为
规则,大致与换热管轴向呈一定夹角,近似垂直.
２．２　垢样分析
打开换热器发现,管口和管束内部附着白色
结晶物.采用XRD和能谱对结晶物成分和各元
素含量进行分析,图３和表１为能谱分析结果.
由图３和表１可见,结晶物主要含有C、O、S、Cl,
还含有少量的Fe和Cr.
静设备　　　　石油化工设备技术,２０２１,４２(２)􀅰１６􀅰
PetroＧChemicalEquipmentTechnology
图１　高压换热器换热网络
图２　E１０６A 换热管断口内窥镜形貌
图３　能谱分析结果
表１　能谱分析
元素线类型
表观浓度/
(w,％)
k 比值
元素含量/
(w,％)
σ 均值/
(w,％)
标准样品厂家标准
C K线系２４．４４ ０．２４４４１ ７０．４１ ０．８０ 单质元素是
O K线系２．７９ ０．０２４４６ ８．７８ ０．６０ SiO２ 是
S K线系８．７９ ０．０９３２９ ３．４３ ０．１３ FeS２ 是
Cl K线系２７．９７ ０．２６６７７ １０．０７ ０．２７ NaCl 是
Cr K线系１．１３ ０．０１１３５ ０．４１ ０．０９ Cr 是
Fe K线系１８．７１ ０．１８７０８ ６．９１ ０．２８ Fe 是
　　在能谱分析确定好相应的元素含量后,采用
XRD衍射分析来确定具体的物质构成,结果如
图４所示.与标准谱图对比分析发现,白色结晶
物主要为NH４Cl.
　第４２卷第２期 刘殿如等．加氢装置高压换热器开裂原因分析及对策 􀅰１７􀅰
图４　X射线衍射分析结果
２．３　换热管的材质分析
将换热器更换下来,从断裂的换热器管子上
切取块状样品,并依据相关标准,使用光谱仪对其
材质进行化学分析.结果表明:断裂管子材质为
０Cr１８Ni１０Ti,其化学成分满足GB/T２０８７８—
２００７«不锈钢和耐热钢牌号及化学成分»【１】要求,
各元素含量未见有超标现象(见表２).
表２　换热管材质的化学成分w ,％
项目标准值实测值
C ≤０．０８ ０．０４
Si ≤１．００ ０．５２
Mn ≤２．００ ０．４３
P ≤０．０４５ ０．０３４
S ≤０．０３０ ０．０２６
Cr １７．００~１９．００ １７．６８
Ni ９．００~１２．００ １０．４７
Ti ５C~０．７０ ０．５６
２．４　换热管的金相分析
在断裂的换热器管子断口附近切取金相样
品,经预磨、抛光、腐刻后,在显微镜下进行观察分
析,并使用显微硬度计,进行硬度测试.图５所示
为换热管纵向金相组织.由图５可见,金相组织
为奥氏体,裂纹源在换热管内壁,裂纹呈现树枝
状,既有主干又有分支,属于穿晶型腐蚀裂纹,具
有典型的应力腐蚀开裂特征.样口显微硬度分别
为HV０．２１９２．７、HV０．２２０２．６、HV０．２２２２．０,转换成
HB 为１８３．７、１９２．６、２１２．０. 一般情况下,
０Cr１８Ni１０Ti不锈钢管冷加工固溶处理后,硬度
应小于HB１８５【２】.由上述测试结果可见,该换热
器硬度不均,且局部硬度偏高.
２．５　换热管的电镜分析
在断口上切取样品,采用扫描电镜进行观察
(见图６).微观断口可观察到大量的河流状花
样、鱼骨状花样以及撕裂棱,且有可见的二次裂
纹,这是管子中残余应力导致的.
图５　换热管的纵向金相组织
３　原因分析
１)由于加工原料变化较大,而未对结盐温度
进行核算,导致高压换热器E１０６A 出现结盐加重
现象.通过采取E１０６A 前临时注水的方式对铵
盐进行冲洗,但因注水系统流量的限制,使得注水
量不足,导致NH４Cl不能全部被冲洗掉.残留的
NH４Cl吸收水分形成水溶液,并水解形成酸性
Cl－ 腐蚀环境,其pH 越低,奥氏体不锈钢对Cl－
应力腐蚀敏感性越强【３】.
图６　换热管断口SEM 形貌
　　２)奥氏体不锈钢材质换热管的U 形弯处,
存在较大残余应力,管束内弯与反应产物接触的
管子内壁为拉应力集中区域,且管内外压力差比
较大,为１４．５１ MPa.残余应力和外加载荷是诱
导应力腐蚀开裂的力学条件.同时在酸性环境和
Cl－ 腐蚀的共同作用下,管子逐渐产生腐蚀裂纹
源并扩展,导致强度减弱.在管内外压差作用下,
造成奥氏体不锈钢０Cr１８Ni１０Ti换热器Cl－ 应力
腐蚀开裂并最终导致爆管.
４　建议措施
４．１　加强原料控制
１)建立加氢裂化装置原料油总Cl分析平
台,包括分析设备和方法.加强原料总Cl分析监
􀅰１８􀅰 石　油　化　工　设　备　技　术 ２０２１年　
测,健全高低压分离器脱除水分析项目,加强对重
整氢的HCl含量分析.
２)根据原料中Cl、N含量的分析数据,对原料
进行适当掺炼,确保Cl、N含量不超出装置设防值.
３)提升连续重整装置重整氢脱Cl效果,可
有效降低包括加氢裂化在内的所有使用重整氢装
置的Cl腐蚀和结盐风险.
４．２　优化工艺控制措施
１)对运行状况进行监测,及时调整注水.发
现压降较大时,及进在E１０６A 前进行注水,对析
出的氯化铵盐进行冲洗,缓解NH４Cl对管束的堵
塞和腐蚀.
２)对工艺注水设施进行优化.对E１０６A 注
水系统进行核算,确保能够提供足够的注水量,并
保证注水量的２５％为液态水;在注水点后果安装
混合器,确保注水的水能够均匀混合.注水时应
采用专用注水喷头,避免对主管线造成冲刷腐蚀,
使管线局部腐蚀减薄.
３)对结盐温度进行计算与控制.根据原料
中Cl和N 的含量对结盐温度进行及时核算,并
把结盐温度接入控制系统(DCS),控制换热器出
口温度高于结盐温度１５℃以上,避免该换热器发
生结盐.
４．３　合理选材
根据SH/T３０９６—２０１２«高硫原油加工装置
设备和管道设计选材导则»,建议将管束材质升级
为８２５合金或者１５CrMo,避免出现奥氏体不锈
钢应力腐蚀开裂现象.
４．４　加强检验检测
加强装置检修期间的设备腐蚀检测.在装置
检修时,应采用内窥镜检测、渗透检测、涡流检测
等方式对高压换热器反应流出物侧的管板和管束
内部进行重点检测,确保腐蚀缺陷能及时被发现
并得到有效控制.
参考文献:
[１]　全国钢标准化技术委员会．不锈钢和耐热钢牌号及
化学成分:GB/T２０８７８—２００７[S]．北京:中国标准
出版社,２００７．
[２]　中国石油化工设备管理协会设备防腐专业组．石油
化工装置设备腐蚀与防护手册[M]．北京:中国石
化出版社,１９９６:１７０Ｇ１７１．
[３]　黄毓晖,轩福贞,涂善东．３０４奥氏体不锈钢在酸性
氯离子溶液中应力腐蚀性能的研究[J]．压力容器,
２００９,２６(７):５Ｇ１０．
􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍 (上接第１０页)
了焊缝承载面积,使得应力进一步降低.
但是封头厚度的增加受材料供货限制,同时经
济性也逐渐变差;角接接头在轴向堆焊的长度也受
结构限制.因此可以将二者结合,增加球形封头厚
度至筒体０．７倍以上,降低整个局部连接接头的应
力;同时增加层板角焊缝长度,改善角接接头的局
部应力,从而保证局部结构的强度满足要求.
４　结语
对多层包扎容器的筒体与球形封头连接部位
进行了结构分析和优化设计,得出如下结论:
１)定量分析了球形封头与筒体的厚度比对
连接部位应力状态的影响.由于应力集中和边缘
应力的影响,厚度比为０．５时局部应力过高,建议
将厚度比增至０．７以上,改善整个局部结构的应
力水平.
２)针对多层筒体非对接部分角接接头应力
过高的情况,通过改变角接接头的结构形式降低
局部结构的应力水平.
３)GB/T１５０．３—２０１１附录D．８．３中要求的
１∶３的过渡比例需要严格遵守,防止局部应力集
中过于严重,影响其疲劳寿命.
参考文献:
[１]　刘正通,赵杰,张卫义,等．多层包扎高压容器端部
结构设计与应力分析[J]．石油化工设备技术,
２０１６,３７(２):１８Ｇ２３．
[２]　杨俊岭,赵斌义．多层包扎压力容器设计探讨[J]．
大氮肥,２００８,３１(６):４０３Ｇ４０６．
[３]　全国锅炉压力容器标准化技术委员会．压力容器:
第３部分:设计GB/T１５０．３—２０１１[S]．北京:中国
标准出版社,２０１２．
[４]　ASME锅炉及压力容器委员会．ASME锅炉及压力
容器规范:第Ⅷ 卷:第一册:压力容器建造规则:
２０１３版[S]．中石协ASME 规范产品专业委员会
CCAC,译．北京:中国石化出版社,２０１４．
[５]　全国锅炉压力容器标准化技术委员会．钢制压力容
器———分析设计标准:JB/T４７３２—１９９５(２００５年确
认)[S]．北京:新华出版社,２００５．
[６]　化学工业部化工机械与设备标准化技术委员会．整
体多层夹紧式高压容器:HG３１２９—１９９８[S]．北京:
化学工业出版社,１９９８．
　第４２卷第２期 刘殿如等．加氢装置高压换热器开裂原因分析及对策 􀅰１９􀅰
Key words: ethylene; capacity expansion
revampingofethyleneplant;quenchoiltower;
orthogonalcorrugatedtray
CAUSE ANALYSISAND COUNTERMEASURES
FOR CRACKING OF HIGH PRESSURE HEAT
EXCHANGERIN HYDROGENATIONUNIT [１６]
Liu Dianru, Huang Jingfeng, Gao Nan,
LiXiaopeng,WangTianting(ShenyangZkwell
CorrosionControlTechnologyCo．,Ltd．,ShenＧ
yang,Liaoning,１１００００)
Abstract:Thispaperintroducesthetubeburst
of０Cr１８Ni１０Titubebundleofahydrocracking
unitreaction effluent / low separation heat
exchanger (E１０６A)in arefinery．Combined
withtheworkingconditionsofthetubeandshell
sideoftheheatexchangerandtheantiＧcorrosion
measures,thetubeburstsamplesareanalyzed
comprehensively by means of endoscopy,
spectralmaterialanalysis,hardnessperformance
analysis,metallographyandscanningelectron
microscopeanalysis．Thecrystalwasanalyzedby
adoptingXRDandenergyspectrum．Theresults
showthatthereisNH４Clcrystalintheinner
wallof E１０６A heat exchangertube bundle．
When the amount of water injection is
insufficient,the acid environmentformed by
hydrolysisofammoniumchlorideimprovesthe
sensitivityofCl－ stresscorrosioncrackingof
austenitic stainless steel, which leads to
transgranularstresscorrosioncracking ofthe
tubebundleofE１０６Aheatexchanger．Whenthe
crack extendsto a certain extent,thetube
bursts．Inviewoftheabovecorrosioncracking
reasons, the corresponding antiＧcorrosion
suggestionsandmeasuresareputforwardfrom
theaspectsofprocesscontrolandequipment
materialselection．
Key words: hydrogenation heat exchanger;
stresscrackingofausteniticstainlesssteel;salt
scalingofhydrocrackingunit;waterinjectionfor
hydrocrackingunit
ESTABLISHMENT AND ANALYSIS OF DYＧ
NAMIC TANK CAPACITY MODELS UNDER
DIFFERENTSHIPPINGSCHEDULESFORLNG
TERMINALS[２０]
DuoZhili(SINOPEC Engineering IncorporaＧ
tion,Beijing,１００１０１)
Abstract: According to different shipping
schedules,threedynamiccalculation modelsof
tank capacity required for uniform shipping
schedule,semiＧuniform shippingscheduleand
adjustableshippingscheduleareestablishedafter
takingtheinfluenceofseasonalanddailypeak
shavingandsafety marginintoconsideration．
Threemodelshavebeenappliedtocalculatethe
requiredtankcapacityforone LNG terminal．
Aftercomparingtheresults,itisobtainedthat
thetankcapacityrequiredforuniformshipping
schedulemodelwhichhasthesmallestdegreeof
freedominschedulingisthelargest;thetank
capacity required for free shipping schedule
modelwhichhasthehighestdegreeoffreedom
in scheduling is the smallest and the tank
capacity required for semiＧuniform shipping
schedulemodelwhichhasthemoderatedegree
of freedom in scheduling is moderate．
Therefore, it is recommended that each
LNGterminal should arrange the shipping
schedule reasonably according to the actual
purchaseplanandtrytoachieveindependent
shipping schedule operation model so as to
reducethenumberofstoragetankstobebuilt
andsaveinvestment．
Key words:dynamic tank capacity;uniform
shippingschedule;semiＧuniformshippingschedＧ
ule;independentshippingschedule
ABSTRACTS 　PETROCHEMICALEQUIPMENTTECHNOLOGY
StartedPublicationin１９８０．Bimonthly．Mar．２０２１Vol．４２No．２􀅰Ⅳ􀅰

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