高压换热器密封环泄漏分析及改造措施

马文礼，刘俊生，王吉民，肖湘磊，樊安宁

（1.中石油克拉玛依石化有限责任公司，新疆克拉玛依834003；2.神华新疆化工有限公司，新疆乌鲁木齐831400）

某加氢装置高压换热器E1103B 主要用于反应产物与原料油换热，原料油自装置外罐区由泵送至装置界区，经过反冲洗过滤器SR1101 过滤后进入滤后原料缓冲罐D1101，再由反应进料泵P1102 抽出升压后与循环氢混合，与加氢精制反应产物通过换热器E1103B 进行换热，进入高压分离器D1103，在高压分离器中进行气、油、水三相分离。其密封结构为Ω环密封，管程材质为15CrMo+堆焊，321（管束），壳程材质为15CrMo+堆焊，管壳程操作压力为8.6/7.7 MPa。该换热器投用后Ω 密封环多次泄漏，严重影响装置的安全平稳运行［1]。

1 泄漏案例及原因分析

1.1 泄漏案例

2018年5月10 日，操作工夜班巡检至制加氢装置高压换热处附近时闻到有较浓的油气味，利用携带可燃气体报警器、硫化氢报警仪查找泄漏点，逐一排查4 台换热器泄漏，检查到E1103B 时，发现高压换热器E1103B 周围有可燃气体在报警，仔细检查该换热器时发现该换热器浮头上部泄漏。当时浮头顶部有烟雾出现，仔细查看发现是换热器浮头Ω 密封环本体上有一裂纹，泄漏介质为高温柴油、汽油、氢气、硫化氢等物质的混合物。

1.2 原因分析

（1）Ω环结构

换热器E1103B 管板2 侧压力相近，管壳程均采用Ω环密封结构见图1。

图1 Ω环密封结构

Ω 环密封结构特点：①组焊时要求高度对中，错边量要求特别小，零件加工及组焊要求较高；②受螺栓干扰，结构限制，Ω 环壳焊接有难度；③内部存在空腔，易积液［2]。介质自Ω密封环拼接缝进入空腔后在空腔内沉积，积液在密度差和重力的作用下分层，上层为经过加氢反应的汽油，下部为较高硫化氢浓度的反应生成水。硫化氢在下层水溶液中凝缩，为硫化氢应力腐蚀提供腐蚀环境；另外，Ω 密封环材质为奥氏体不锈钢0Cr18Ni10Ti，在硫化氢腐蚀环境中存在应力腐蚀（SCC）敏感性［3]。

（2）焊接质量分析

在焊接时管板与原Ω 环角焊缝切割打磨去除后，对打磨部位焊肉没有彻底清理。角焊缝若误用碳弧气刨加砂轮打磨去除，则焊缝附近会出现渗碳层，在焊接时很容易产生裂纹缺陷。该换热器返厂维修次数较多，每次维修都需要将Ω 环切割后重新焊接，反复切割焊接导致公母环间距增大，Ω环与管板的装配精度也随之降低。压紧组装时由于工具不合适或者压紧力变化导致错边量随机增加，不能完全满足Ω 环两瓣错边量≤0.5 mm 的要求，致使焊接部位应力比较集中。其次，Ω 环与管板的装配精度降低会给施焊带来较大难度，焊缝焊接质量很难保证。

（3）工艺腐蚀分析

E1103B 管程的介质为反应产物油，高温油气的主要成分为：柴油、氢气、硫化氢、氨气，在换热器管程进出口易形成NH4Cl 和NH4HS 2 种结晶盐，其中NH4Cl 的结晶温度大约在160～220 ℃，而NH4HS 的结晶温度大约在120 ℃。换热器正常投入使用时NH4Cl 和NH4HS 结晶盐则通过换热器进入Ω 环空腔内，使Ω 环受到硫化物腐蚀及氯离子腐蚀［4]。装置在开停工期间管程升温速度快过，温差应力促进硫化氢应力腐蚀开裂导致Ω 环密封泄漏。工艺注水量过小也会导致Ω 环腐蚀开裂。管程介质中的硫化物、氨氮在8.6 MPa、180～238 ℃条件下生成铵盐，铵盐极易溶于水，溶液显酸性。注水量减小导致介质中氯离子的浓度升高，增加了奥氏体不锈钢在氯离子环境下的应力腐蚀速率。

（4）螺栓预紧力分析

螺栓的预紧力分为最小预紧力和最大预紧力。螺栓预紧的目的在于增强连接的可靠性和紧密性，以防止受载后被连接件间出现缝隙或发生相对滑移，同时保证受载后由于螺栓伸长以及垫片的松弛，垫片与密封面之间还留有足够的压紧力以维持密封［5]。因此，螺栓预紧力的施加与控制就显得十分重要。过大或过小的预紧力都会对Ω环密封产生不利影响。螺栓预紧力过大，密封垫片会被压溃而失去弹性，甚至可能会将螺栓拧断，螺栓预紧力不足，导致Ω 环在内压的作用下受到轴向拉力，会造成Ω 环角焊缝及环焊缝开裂，导致泄漏发生。

Ω 环自身结构缺陷，维修焊接质量问题，工艺操作调整，螺栓预紧力过大或不足等都是造成换热器Ω环泄漏的原因。

2 改造措施

2.1 Ω环改造

该次改造在原Ω 密封环的基础上，经过强度校核将Ω密封环改造为焊唇式密封，见图2。

图2 密封改造前后现场实物对比图

焊唇式密封结构简单、焊接可靠，可有效防止密封泄漏。焊唇式密封的机理是：不靠压紧垫片来密封，而是靠对密封元件的封焊来密封。螺栓主要承受内压引起的轴向力，造价低，密封环也可多次重复使用，可靠性及维修的便利性都是其他密封形式无法比拟的［6]。该种密封形式与Ω 密封环相类似，依然是采用焊接密封，此种但不同点在于Ω 密封环顶部有类似于希腊字母Ω 的空腔，而焊唇式密封不采用此种空腔，而是直接采用堆焊形式，此种密封形式彻底切断泄漏通道，没有滞留空腔，彻底消除腐蚀介质浓缩空间。与Ω 环密封形式相比，焊唇密封具有使用周期长、结构可靠，可有效防止密封泄漏的特点。

2.2 工艺改进

（1）平稳操作，控制装置开停工期间换热器管程温度上升速率，减少温差应力，降低硫化氢对Ω密封环的应力腐蚀。

（2）严格控制介质中的Cl-含量，定期检查分析介质组分，一旦发现Cl-含量超标，及时调整介质组分配比。加强介质的S、N脱除，减少铵盐结晶。

（3）提高注水量，降低铵盐浓度［7]。将E1103B管程入口的注水量提高至7.5 t/h 以上（原注水量6.0 t/h），充分溶解介质中的铵盐，降低介质中氯离子的浓度和提高介质的pH 值，减弱奥氏体不锈钢在氯离子环境下的应力腐蚀速率。

（4）装置停工期间用惰性气体保护及化学清洗。在汽柴油加氢装置装置停工后，残留在换热器中的硫化物遇水和氧气会反应产生连多硫酸。所以需要对装置反应系统进行充氮保护，使E1103B 换热器和其它设备处于氮气环境，防止腐蚀的发生。当设备检修时需要暴露在大气环境下，必须对换热器整体进行清洗，主要是清洗设备表面产生的连多硫酸，防止发生再次腐蚀［8]。

2.3 螺栓预紧力校核

换热器E1103B 的改造工作是在兰石机械哈密分公司完成，考虑到在设备运输过程中有可能导致螺栓松懈，因此设备安装后再次对螺栓进行预紧力校核，根据换换热器型号BFU950-9.0/9.2-261-4.5/19-2，换热器大法兰为DN600，法兰螺栓规格为M56×3×770 ，采用HG／T 20582—2011《钢制化工容器强度计算规定》中“无垫片焊接密封法兰的设计和计算的规定计算”螺栓载荷Wp［5]：

式中F—内压引起的总轴向力，N；Fp—操作状态下，需要的最小垫片压紧力，N；DL—受内压部分最大内直径，mm；DL＝600 mm；DG—计算用的相当垫片载荷作用处的直径，mm；b—计算用的相当垫片有效密封宽度，mm；p—操作压力，MPa，其中p＝8.6 MPa；m—垫片系数，焊唇式密封取m＝0。

依据上述计算结果，采用液压扳手对换热器所有螺栓进行力矩复测，发现个别螺栓预紧力严重不足，重新用液压扳手对换热器螺栓进行对称液压上紧。

3 结束语

鉴于高压换热器操作条件的苛刻性，其设计、制造及检验都要求配置单独、系统的管理部门及机构，借助专业仪器和手段，保证设备的可靠性和安全性。因此，保证换热器在高温高压条件下介质无泄漏，维持长周期运行，对于石油化工行业的发展有着深远的意义。