摘要：

　　分析了高溫高壓臨氫換熱器腐蝕的原因，對(duì)該設(shè)備在現(xiàn)場(chǎng)修復(fù)的方法進(jìn)行了全面介紹，包括腐蝕表面加工、預(yù) 熱、施焊操作與安全防護(hù)、焊后熱處理及檢驗(yàn)等關(guān)鍵工藝。采用ER309LSi不銹鋼作為堆焊層，通過合理的焊接工藝，減緩 高溫氫-硫化氫環(huán)境下的腐蝕。

　　關(guān)鍵詞：高溫高壓；臨氫設(shè)備；腐蝕分析；修復(fù)

　　某石化公司加氫裂化裝置反應(yīng)進(jìn)料/反應(yīng)流出 物換熱器EA101A/B為立式U型管式換熱器，由日 本鋼鐵制造公司按BBS規(guī)范設(shè)計(jì)制造的。由于該 換熱器臨近于反應(yīng)器，反應(yīng)產(chǎn)物側(cè)所處的腐蝕環(huán) 境與反應(yīng)器基本相同，特點(diǎn)是操作壓力高，溫度 高，介質(zhì)處于臨氫的硫化氫腐蝕環(huán)境。設(shè)備在運(yùn) 行初期運(yùn)行正常，運(yùn)行兩年后，發(fā)現(xiàn)EA101A/B管 板殼體側(cè)及周圍殼體均出現(xiàn)腐蝕，EA101B腐蝕 輕微，EA101A腐蝕較為嚴(yán)重。最大腐蝕深度達(dá) 12mm。為此對(duì)其腐蝕原因進(jìn)了分析，并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng) 補(bǔ)焊修復(fù)，修復(fù)后設(shè)備運(yùn)行正常。

　　1．設(shè)備簡(jiǎn)介與腐蝕特征

　　加氫反應(yīng)是在高溫高壓催化條件下進(jìn)行， E A 1 0 1 A/B用來回收反應(yīng)熱量并加熱原料氣。 壓力為14MPa、溫度為295～300℃的高溫裂解 氣，經(jīng)由換熱器殼程與管程進(jìn)料為280～285℃的 原料氣進(jìn)行熱交換。換熱器管、殼程均處在高 溫臨氫硫化氫腐蝕條件下。管箱是母材材質(zhì)為 2.25Cr1Mo的鍛件，內(nèi)襯兩層不銹鋼堆焊層，底層 材料為308L，表層為309L。殼體和下封頭材質(zhì)為 2.25Cr1Mo，沒有不銹鋼堆焊層。

　　實(shí)際操作中，運(yùn)行初期裝置在設(shè)計(jì)工況下操 作，殼體腐蝕速率約為0.25mm/a，滿足設(shè)計(jì)條件 下殼體最大腐蝕速率約3.5mm/a的要求。運(yùn)行一段 時(shí)間后，催化劑逐漸失效，通過提高溫度以保持 相同的產(chǎn)量。年檢中發(fā)現(xiàn)EA101A/B均出現(xiàn)腐蝕， 其中EA101A腐蝕嚴(yán)重。腐蝕主要發(fā)生在墊片的 底部區(qū)域（如圖1所示），且向殼體下部延伸約 500mm，其中墊片底座下局部腐蝕最為嚴(yán)重，深 度達(dá)12mm，隨著延伸距離的增加，腐蝕層厚度減 弱。按此計(jì)算平均腐蝕速率大于3mm/a。計(jì)算結(jié)果 表明，在腐蝕厚度達(dá)到16.5mm時(shí)，與管板連接處 殼體將出現(xiàn)塌陷，后果不堪設(shè)想�！　�

　　2．腐蝕原因分析

　　如此高的腐蝕速率產(chǎn)生的原因尚不十分清 楚，初步分析認(rèn)為是因高溫H2-H2S環(huán)境下的H2S腐 蝕所致。

　　在富氫環(huán)境中高溫硫化物腐蝕特性較為復(fù) 雜，在氫的促進(jìn)下，硫化氫可以加速對(duì)金屬的腐 蝕。這是因?yàn)樵诟粴錃夥罩�，氫作為間隙型質(zhì)子 能夠不斷地侵入硫化物腐蝕層中，造成垢層疏松 多孔，破壞了硫化氫腐蝕膜的保護(hù)作用，使金 屬原子和硫化氫介質(zhì)得以互相擴(kuò)散滲透，從而引 起硫化氫的腐蝕不斷地進(jìn)行。影響高溫硫化氫 腐蝕的主要因素是溫度和H2S濃度，其腐蝕速度 一般隨著溫度的升高而增加，干的硫化氫氣體在 200～250℃以下對(duì)鋼的腐蝕甚微。研究表明，H2-H2S體系中，當(dāng)H2S的分壓在3.43～343kPa,操作溫 度大于316℃時(shí)，硫化氫的腐蝕加劇，一般的鉻鉬 鋼不能滿足要求。EA101A/B換熱器腐蝕區(qū)域?yàn)闅?體滯留區(qū)，傳熱效果差，且易使H2S聚集導(dǎo)致其濃 度增加，操作過程中進(jìn)氣溫度波動(dòng)大，有時(shí)可達(dá) 到300℃以上，加速了H2S腐蝕。

　　3．修補(bǔ)方案選擇

　　在墊片底座以下腐蝕區(qū)域采用單層堆焊修 補(bǔ)，修復(fù)材料選擇AWS ER309LSi型不銹鋼。由于 奧氏體不銹鋼覆蓋層氫擴(kuò)散度低，阻礙了氫的活 動(dòng)，降低了基層低合金中氫分壓。盡管奧氏體不 銹鋼覆蓋層在操作中會(huì)吸收一定量的氫，但它本 身并不變脆，開裂的敏感性也并不提高，只是降 低了脫氫速度，從而保護(hù)了基層。AWS ER309LSi 不銹鋼焊條含Cr量大于12%，具有較佳的抗氫脆和 抗硫化氫腐蝕作用。焊接預(yù)熱溫度為200℃，防止 馬氏體冷裂紋和脆化。

　　換熱器直立放置，修復(fù)過程中不能移動(dòng)。殼 體的內(nèi)徑僅1200mm，操作空間受到限制，考慮到 手工電弧焊焊接效率低、尤其是難以保證換熱管 束安裝公差的要求，因此，采用半自動(dòng)脈沖氣體 保護(hù)焊。施焊前制定嚴(yán)格焊接工藝及操作程序， 并在碳鋼和1.25Cr鋼上進(jìn)行了試驗(yàn)，一次堆焊厚大 約5mm，309LSi距熔合面可達(dá)3mm。焊接工藝取 得成功后，應(yīng)用于實(shí)際修補(bǔ)操作中。在脈沖氣體 保護(hù)焊的過程中，有少量的稀釋物產(chǎn)生。

　　4．補(bǔ)焊修復(fù)

　　4.1　表面處理

　　換熱器殼體為鍛造后進(jìn)行機(jī)械加工，具有 一定的制造誤差，不能保證半自動(dòng)焊要求的橢圓 度。同時(shí)因腐蝕產(chǎn)物硫化鐵使殼體表面出現(xiàn)深度 為1～2mm的顆粒層。為防止在這樣的表面上焊 接出現(xiàn)裂紋和氣孔。在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行機(jī)械加工，除去 大約3mm表層，確保表面清潔、干燥、無潤(rùn)滑油 等，以保證補(bǔ)焊質(zhì)量。

　　4.2預(yù)熱

　　墊片下部的區(qū)域，壁厚300mm，材料為 2.25Cr1Mo。采用高溫預(yù)熱的方式進(jìn)行補(bǔ)焊。預(yù)熱 溫度為200℃。焊接完成時(shí)，在殼體溫度降到環(huán)境 溫度之前，進(jìn)行焊后熱處理。預(yù)熱采用電阻加熱 帶纏繞在殼體的外部。為保證操作人員的安全， 加熱采用手動(dòng)控制，殼體內(nèi)放入熱電偶溫度計(jì)， 連續(xù)監(jiān)測(cè)容器內(nèi)的溫度。預(yù)熱溫度達(dá)到時(shí)，停止 加熱，通過焊接熱量維持預(yù)熱溫度；當(dāng)溫度低于200℃時(shí)，在操作者離開容器后接通電源加熱，預(yù) 熱溫度達(dá)到要求關(guān)閉電源，操作者再次進(jìn)入容器 內(nèi)施焊。

　　4.3施焊操作與防護(hù)

　　施焊分區(qū)操作，焊區(qū)高度500mm，長(zhǎng)度 1250mm。焊機(jī)安裝在特制的沿環(huán)向自動(dòng)焊接裝 置上，當(dāng)完成一段焊道后焊槍返回到開始位置 時(shí)，提升焊槍，自動(dòng)焊下一段焊道。完成一個(gè) 焊接作業(yè)區(qū)后，絕緣箱旋轉(zhuǎn)120°。重復(fù)上述過 程。兩個(gè)焊接作業(yè)區(qū)交界處光滑過渡。整個(gè)圓周 帶補(bǔ)焊完畢后，絕緣箱升到補(bǔ)焊區(qū)的頂部，在墊 片以下200mm區(qū)域腐蝕較為嚴(yán)重處，進(jìn)行第二層 補(bǔ)焊，在墊片下方進(jìn)行第三層補(bǔ)焊，各焊層間光 滑過渡。

　　修補(bǔ)施焊是在預(yù)熱溫度為200℃的容器內(nèi)進(jìn) 行，且有觸電的危險(xiǎn)。為保證操作者的安全，特 制了絕緣工作箱，通過設(shè)在容器頂部的升降機(jī)， 可以隨時(shí)將絕緣工作箱提升到容器外面。操作者 在工作箱內(nèi)有足夠的自由空間。工作箱外保溫， 工作箱底部設(shè)有一個(gè)環(huán)行管通風(fēng)口不斷吹入冷氣 降溫。工作時(shí)間限制在45分鐘之內(nèi)。操作過程 中，在容器外部通過監(jiān)測(cè)系統(tǒng)嚴(yán)密監(jiān)視操作箱內(nèi) 的溫度和氧氣。

　　4.4焊后熱處理

　　正常的熱處理溫度為695℃。加熱速率為20℃ /h。但由于殼體壁厚在300mm～50mm范圍內(nèi)變 化，故允許溫差在20℃內(nèi)波動(dòng)。實(shí)際熱處理過程 中熱電偶測(cè)得的溫度為680℃-710℃，達(dá)到了預(yù)期 目的。保溫時(shí)間為6小時(shí)，然后冷卻，冷卻速率限 制在20℃/h，冷卻到400℃后，自然冷卻。加熱源 主要在容器外部，在墊片下方壁厚300mm最厚處 內(nèi)置加熱器，以使整個(gè)殼體受熱均勻。在容器內(nèi) 部補(bǔ)焊層上放置18個(gè)熱電偶溫度計(jì)，分別測(cè)量壁 厚在300mm～50mm間的溫度，溫度記錄儀作全過 程的溫度記錄。

　　4.5焊后檢驗(yàn)

　　焊接過程是半自動(dòng)過程，工藝參數(shù)由試驗(yàn) 程序設(shè)定，層間出現(xiàn)熔接缺陷的可能性很小，且 由于200℃的預(yù)熱溫度，避免了馬氏體的轉(zhuǎn)變， 所以，產(chǎn)生裂紋的可能性被排除。因此，主要的 缺陷類型是針孔或表面裂紋延伸到整個(gè)補(bǔ)焊層厚 度。由于超聲波探傷識(shí)別熔接面或大約1.5mm以下 的缺陷較為困難。因此，采用著色滲透的方法進(jìn) 行檢驗(yàn)，檢驗(yàn)前清洗補(bǔ)焊區(qū)域的殼體表面。檢驗(yàn) 中沒有發(fā)現(xiàn)缺陷，焊接質(zhì)量合格。

　　5．結(jié)語

　　實(shí)踐證明，此次修補(bǔ)方案工藝先進(jìn)合理，安 全防護(hù)措施得當(dāng)。修復(fù)運(yùn)行一年后進(jìn)行的定期檢 修中，該換熱器的殼程補(bǔ)焊層輕微腐蝕，腐蝕速 率在設(shè)計(jì)允許范圍內(nèi)。目前這臺(tái)設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)良好。 這次對(duì)高溫高壓臨氫換熱器進(jìn)行的焊接修復(fù)獲得 成功，為石油化工裝備在特殊條件下進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)修 復(fù)積累了經(jīng)驗(yàn)。

　　參考文獻(xiàn)

　　[1]米杰.高溫、高壓、臨氫設(shè)備設(shè)計(jì)分析[J].化工設(shè)備與管 道,2006,(6):31-32.

　　[2]王榮貴,汪渝.高溫氫和硫化氫混合氣體對(duì)設(shè)備的腐蝕及 防護(hù)[J].化肥設(shè)計(jì),2005,(1):22-26.

　　[3]中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)焊接學(xué)會(huì).焊接手冊(cè)(第三版)[M].北 京:機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

　　[4]國(guó)際焊接學(xué)會(huì).The WRC-1992 Diagram[J].Svetsaren, 1993,47(2)

本文地址：http://www.help-services.cn/tech-detail/t213335.html