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高温高压临氢换热器腐蚀原因与修复

点击:1671 日期:[ 2014-04-26 21:57:52 ]
                          高温高压临氢换热器腐蚀原因与修复                                         张慧                          (盘锦职业技术学院,辽宁盘锦124010)     [摘要]分析了高温高压临氢换热器腐蚀的原因,对该设备在现场修复的方法进行了全面介绍,包括腐蚀表面加工、预热、施焊操作与安全防护、焊后热处理及检验等关键工艺。采用ER309LSi不锈钢作为堆焊层,通过合理的焊接工艺,减缓高温氢-硫化氢环境下的腐蚀。     [关键词]高温高压;临氢设备;腐蚀分析;修复某石化公司加氢裂化装置反应进料/反应流出物换热器EA101A/B为立式U型管式换热器,由日本钢铁制造公司按BBS规范设计制造的。由于该换热器临近于反应器,反应产物侧所处的腐蚀环境与反应器基本相同,特点是操作压力高,温度高,介质处于临氢的硫化氢腐蚀环境。设备在运行初期运行正常,运行两年后,发现EA101A/B管板壳体侧及周围壳体均出现腐蚀,EA101B腐蚀轻微,EA101A腐蚀较为严重。最大腐蚀深度达12mm。为此对其腐蚀原因进了分析,并进行现场补焊修复,修复后设备运行正常。     1·设备简介与腐蚀特征     加氢反应是在高温高压催化条件下进行,E A 1 0 1 A/B用来回收反应热量并加热原料气。压力为14MPa、温度为295~300℃的高温裂解气,经由换热器壳程与管程进料为280~285℃的原料气进行热交换。换热器管、壳程均处在高温临氢硫化氢腐蚀条件下。管箱是母材材质为2.25Cr1Mo的锻件,内衬两层不锈钢堆焊层,底层材料为308L,表层为309L。壳体和下封头材质为2.25Cr1Mo,没有不锈钢堆焊层。     实际操作中,运行初期装置在设计工况下操作,壳体腐蚀速率约为0.25mm/a,满足设计条件下壳体最大腐蚀速率约3.5mm/a的要求。运行一段时间后,催化剂逐渐失效,通过提高温度以保持相同的产量。年检中发现EA101A/B均出现腐蚀,其中EA101A腐蚀严重。腐蚀主要发生在垫片的底部区域(如图1所示),且向壳体下部延伸约500mm,其中垫片底座下局部腐蚀最为严重,深度达12mm,随着延伸距离的增加,腐蚀层厚度减弱。按此计算平均腐蚀速率大于3mm/a。计算结果表明,在腐蚀厚度达到16.5mm时,与管板连接处壳体将出现塌陷,后果不堪设想。                       2·腐蚀原因分析     如此高的腐蚀速率产生的原因尚不十分清楚,初步分析认为是因高温H2-H2S环境下的H2S腐蚀所致。     在富氢环境中高温硫化物腐蚀特性较为复杂,在氢的促进下,硫化氢可以加速对金属的腐蚀。这是因为在富氢气氛中,氢作为间隙型质子能够不断地侵入硫化物腐蚀层中,造成垢层疏松多孔,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得以互相扩散渗透,从而引起硫化氢的腐蚀不断地进行。影响高温硫化氢腐蚀的主要因素是温度和H2S浓度,其腐蚀速度一般随着温度的升高而增加,干的硫化氢气体在200~250℃以下对钢的腐蚀甚微。研究表明,H2-H2S体系中,当H2S的分压在3.43~343kPa,操作温度大于316℃时,硫化氢的腐蚀加剧,一般的铬钼钢不能满足要求。EA101A/B换热器腐蚀区域为气体滞留区,传热效果差,且易使H2S聚集导致其浓度增加,操作过程中进气温度波动大,有时可达到300℃以上,加速了H2S腐蚀。     3·修补方案选择     在垫片底座以下腐蚀区域采用单层堆焊修补,修复材料选择AWS ER309LSi型不锈钢。由于奥氏体不锈钢覆盖层氢扩散度低,阻碍了氢的活动,降低了基层低合金中氢分压。尽管奥氏体不锈钢覆盖层在操作中会吸收一定量的氢,但它本身并不变脆,开裂的敏感性也并不提高,只是降低了脱氢速度,从而保护了基层。AWS ER309LSi不锈钢焊条含Cr量大于12%,具有较佳的抗氢脆和抗硫化氢腐蚀作用。焊接预热温度为200℃,防止马氏体冷裂纹和脆化。     换热器直立放置,修复过程中不能移动。壳体的内径仅1200mm,操作空间受到限制,考虑到手工电弧焊焊接效率低、尤其是难以保证换热管束安装公差的要求,因此,采用半自动脉冲气体保护焊。施焊前制定严格焊接工艺及操作程序,并在碳钢和1.25Cr钢上进行了试验,一次堆焊厚大约5mm,309LSi距熔合面可达3mm。焊接工艺取得成功后,应用于实际修补操作中。在脉冲气体保护焊的过程中,有少量的稀释物产生。     4·补焊修复     4.1表面处理     换热器壳体为锻造后进行机械加工,具有一定的制造误差,不能保证半自动焊要求的椭圆度。同时因腐蚀产物硫化铁使壳体表面出现深度为1~2mm的颗粒层。为防止在这样的表面上焊接出现裂纹和气孔。在现场进行机械加工,除去大约3mm表层,确保表面清洁、干燥、无润滑油等,以保证补焊质量。     4.2预热     垫片下部的区域,壁厚300mm,材料为2.25Cr1Mo。采用高温预热的方式进行补焊。预热温度为200℃。焊接完成时,在壳体温度降到环境温度之前,进行焊后热处理。预热采用电阻加热带缠绕在壳体的外部。为保证操作人员的安全,加热采用手动控制,壳体内放入热电偶温度计,连续监测容器内的温度。预热温度达到时,停止加热,通过焊接热量维持预热温度;当温度低于200℃时,在操作者离开容器后接通电源加热,预热温度达到要求关闭电源,操作者再次进入容器内施焊。     4.3施焊操作与防护     施焊分区操作,焊区高度500mm,长度1250mm。焊机安装在特制的沿环向自动焊接装置上,当完成一段焊道后焊枪返回到开始位置时,提升焊枪,自动焊下一段焊道。完成一个焊接作业区后,绝缘箱旋转120°。重复上述过程。两个焊接作业区交界处光滑过渡。整个圆周带补焊完毕后,绝缘箱升到补焊区的顶部,在垫片以下200mm区域腐蚀较为严重处,进行第二层补焊,在垫片下方进行第三层补焊,各焊层间光滑过渡。     修补施焊是在预热温度为200℃的容器内进行,且有触电的危险。为保证操作者的安全,特制了绝缘工作箱,通过设在容器顶部的升降机,可以随时将绝缘工作箱提升到容器外面。操作者在工作箱内有足够的自由空间。工作箱外保温,工作箱底部设有一个环行管通风口不断吹入冷气降温。工作时间限制在45分钟之内。操作过程中,在容器外部通过监测系统严密监视操作箱内的温度和氧气。     4.4焊后热处理     正常的热处理温度为695℃。加热速率为20℃/h。但由于壳体壁厚在300mm~50mm范围内变化,故允许温差在20℃内波动。实际热处理过程中热电偶测得的温度为680℃-710℃,达到了预期目的。保温时间为6小时,然后冷却,冷却速率限制在20℃/h,冷却到400℃后,自然冷却。加热源主要在容器外部,在垫片下方壁厚300mm最厚处内置加热器,以使整个壳体受热均匀。在容器内部补焊层上放置18个热电偶温度计,分别测量壁厚在300mm~50mm间的温度,温度记录仪作全过程的温度记录。     4.5焊后检验     焊接过程是半自动过程,工艺参数由试验程序设定,层间出现熔接缺陷的可能性很小,且由于200℃的预热温度,避免了马氏体的转变,所以,产生裂纹的可能性被排除。因此,主要的缺陷类型是针孔或表面裂纹延伸到整个补焊层厚度。由于超声波探伤识别熔接面或大约1.5mm以下的缺陷较为困难。因此,采用着色渗透的方法进行检验,检验前清洗补焊区域的壳体表面。检验中没有发现缺陷,焊接质量合格。     5·结语     实践证明,此次修补方案工艺先进合理,安全防护措施得当。修复运行一年后进行的定期检修中,该换热器的壳程补焊层轻微腐蚀,腐蚀速率在设计允许范围内。目前这台设备运转良好。这次对高温高压临氢换热器进行的焊接修复获得成功,为石油化工装备在特殊条件下进行现场修复积累了经验。     ◆参考文献     [1]米杰.高温、高压、临氢设备设计分析[J].化工设备与管道,2006,(6):31-32.     [2]王荣贵,汪渝.高温氢和硫化氢混合气体对设备的腐蚀及防护[J].化肥设计,2005,(1):22-26.     [3]中国机械工程学会焊接学会.焊接手册(第三版)[M].北京:机械工业出版社,2008.     [4]国际焊接学会.The WRC-1992 Diagram[J].Svetsaren,1993,47(2)
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