高温高压临氢换热器腐蚀原因与修复

　　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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