硫磺水冷器管接头泄漏分析与建议

张雅新  余刚  李崇勇

(1．中国石油辽阳石化公司机动设备处  辽阳  111003)

（2．辽阳石化公司机械厂  辽阳  111003）

  摘要硫磺水冷器是炼化行业净化排空气体的硫磺回收装置中重要设备之一，其内漏直接影响装置的“安稳长满优”运行。从腐蚀环境、设计结构、材料选用、质量计划、使用管理以及定期检验等方面对硫磺水冷器的管接头泄漏进行了分析，建议硫磺水冷器的设计应兼顾管／壳程介质的双重腐蚀性，完善管端防腐结构、制造应保证管接头连接的可靠性、使用管理在保证正常运行的同时尚应注重停工吹扫的腐蚀防护、定期检验更应关注管接头的安全状况等级评定。

  关键词：硫磺水冷器管接头泄漏

一台硫磺冷凝冷却器（简称硫磺水冷器），大检修后开工运行2个多月发生内漏（见图1）。被迫停工抢修发现：管箱底部存有泥状沉积物；管板及管接头焊脚均有明显腐蚀减薄，以出口端下部为严重；壳程水压试验发现下部8根管接头处泄漏；修理补焊则产生多处管头开裂；只能将泄漏的管接头作堵管冷焊胶+防腐涂胶（见图2）处理，试压合格后监控使用，并立即制造备台。

查设备档案：这台硫磺水冷器为卧式固定管板NQN1800-0.28／0.53-412-6.06/38-2型，其技术参数见表1，于2010年制造并投用，经过近3年使用随装置大检修后继续运行。

1腐蚀环境

  硫磺水冷器除壳程的热水蒸汽腐蚀外，尚存在管程过程气的下列腐蚀。

  1)高温硫化腐蚀：碳钢在300℃以上、不锈钢在600℃以上易发生硫化，产生大量松疏的锈垢剥落，而使金属不断减薄。硫磺水冷器的管程过程气进口温度高达350℃，而管板为Q245R，并且管箱下部的泥状腐蚀垢物以及管板表面明显腐蚀减薄证实了高温硫化的存在。

  2)低温露点腐蚀：亚硫酸和硫酸露点腐蚀主要发生在硫磺回收单元的过程气管道及硫凝器中。来自脱硫单元的酸性气在克劳斯炉内和O2完全燃烧产生的S02，S02易溶于水，其水溶液(H2S03)比H2S的水溶液更容易腐蚀金属，腐蚀产物为FeS03;当系统中02过剩时，过程气中的少量S02会被氧化成S03，当温度低于露点时，S03与水蒸气结合生成稀H2S04，稀H2S04对设备的腐蚀更强于H2S03，腐蚀产物为FeS04。这种露点腐蚀可能发生在工艺过程气流量偏小或壳程的热水温度偏低时，过程气因温度低于露点而凝结为酸液。这种现象在装置停工过程吹扫处理不当时更为明显，尤其是检修时直接用水或蒸汽冲洗或运行时管接头漏水等情况。而硫磺水冷器的换热管选用的09CrCuSb(ND)正是耐硫酸露点腐蚀用钢。

  3)湿硫化氢腐蚀：H2S在有水分存在的环境中对钢材具有很强的腐蚀性，是一种很强的渗氢介质，H2S主要有两类腐蚀形态。一类是电化学腐蚀过程产生的全面或局部腐蚀，表现为金属的壁厚减薄或点蚀穿孔；另一类是H2S导致的器壁开裂，由于阴极还原过程产生的H原子扩散至钢中，从而可能诱发氢鼓泡(HB)，氢诱发裂纹(HIC)，硫化物应力腐蚀开裂(SSCC)，应力导向氢诱发裂纹(SOHIC)等腐蚀形态。尽管硫磺水冷器在正常的操作工况下，管程的过程气难以形成湿H，S腐蚀环境，但在装置停工检修时，可能因（设备与管道）系统处理不当，没有严格执行装置停工吹扫操作规程（先用烟气吹扫后再氮气吹扫干净并保持干燥），致使腐蚀性气体滞留并随降温而产生湿气冷凝，或直接用水或蒸汽冲洗腐蚀垢物，造成湿硫化氢腐蚀。当装置开工运行时，管／壳温差应力加剧了管接头的开裂，导致壳程的水汽进入管程，促进露点腐蚀的发生，同时水汽与过程气结合形成湿H2S腐蚀环境。

  值得注意的是，壳程的热水蒸汽对碳钢为均匀腐蚀，而对不锈钢则为局部腐蚀。对于奥氏体不锈钢水冷器的腐蚀案例以Cl的应力腐蚀(SCC)居多，并大多发生在传热面上的水侧。由Cl产生的不锈钢SCC相当普遍，究其原因，一是奥氏体不锈钢对Cl的SCC敏感；二是Cl-不仅能破坏不锈钢的钝化膜产生孔蚀，而且尚能由孔蚀诱发SCC。这可能是硫磺水冷器原设计选用管接头材料为管板Q245R／换热管09CrCuSb，而不选用奥氏体不锈钢的原因。

2结构材料

  合理选择硫磺水冷器的结构型式与材料应对管／壳程介质的全面与局部腐蚀至关重要。这台硫磺水冷器则采用了硫磺回收装置中通用惯例的硫冷凝器结构形式，较为合理，具有如下特点。

  1)这种通用惯例的结构形式大多为NQN型卧置固定管板式换热器且不带膨胀节，而材料多为碳钢（尤其是引进装置），所不同的是它采用了挠性薄管板结构形式，管板分别与壳体及管箱圆筒对接焊接，而换热管与管板采用强度焊加贴胀。

  2)介质流程选择合理，高温腐蚀过程气走管程且换热管选用≯38mm×3mm，而冷却水走壳程并设置了蒸发空间。

  3)管／壳程的进／出口温度设定合理，管程过程气的进／出口温度为350/170℃，而壳程冷却水（热水／蒸汽）的进／出口温度为95／148℃，即能达到硫气冷凝冷却为液硫，又不至于使酸性水汽低于露点凝结为亚硫酸或硫酸或硫化氢的腐蚀环境。

  但从硫磺水冷器连续运行近3年后经过装置大检修再次开工使用2个多月因泄漏开箱检修看，由于管端设计未采取高温硫化防护防腐措施，尽管换热管选用了耐硫酸露点腐蚀用钢09CrCuSb，可是Q245R管板及管接头仍然受到了过程气的高温硫化和低温露点及湿硫化氢的腐蚀以至开裂泄漏。

3使用管理

  从设备档案资料显示，该设备系2010年制造并投用，经过近3年连续运行随装置大检修后继续使用，但在运行2个多月发生管接头泄漏。从这次被迫停工抢修所发现的状况看，“管箱底部存有泥状沉积物；管板及管接头焊脚均有明显腐蚀减薄，以出口端下部为严重；壳程水压试验发现下部8根管接头处泄漏等”，使用管理值得探讨。

  1)硫磺水冷器只要连续运行，并按正常工况操作，虽处于高温硫化腐蚀，但却很少发生露点和湿硫化氢腐蚀。所以，日常巡检应严格控制水冷器的工艺参数满足设计要求。否则，若管程过程气出口温度过低或壳程进水温度过低都会发生露点和湿硫化氢腐蚀的可能。

  2)在装置停工时，应严格执行吹扫操作规程，先用烟气吹扫，再氮气吹扫干净并保持干燥，杜绝系统内残留腐蚀性气体，切不可用水或蒸汽清洗管束，避免露点和湿硫化氢腐蚀发生。

  3)定期检验报告中，只有压力容器宏观检查报告、壳体测厚报告及壳体接管焊缝PT报告，而没有针对管板及管接头的检验报告。所有报告的检验结果均为合格，检验结论：设备的安全状况等级评定为3级。可见，定期检验时应关注管接头这个薄弱点。

4措施建议

  从硫磺水冷器管接头泄漏原因分析可见，控制水冷器管接头泄漏要从设计制造、使用管理以及定期检验等共同做起。

  1)水冷器的选材要兼顾管／壳程介质的双重腐蚀性，尽管09CrCuSb换热管对耐管程过程气的高温硫化、低温露点及湿硫化氢腐蚀和壳程的水汽腐蚀是一种较为理想的材料，但由于没有相应的板材或锻件标准，管板须选用不耐高温硫化等腐蚀的Q245R。对此建议设计应对管端采取防护防腐措施，而不一味进行选材升级如316L。由于管接头所处工况苛刻，所以，制造应严格质量计划，保证管接头的强度焊焊脚高度和贴胀到位。

  2)水冷器的安稳长周期运行，不仅利好装置系统而且更利于防腐蚀，所以使用管理应注重水冷器的操作规程尤其是管程出口温度的控制；并且在装置停工时，应严格执行吹扫规程，杜绝系统内残留腐蚀性气体，严禁用水或蒸汽清洗管束。

  3)管接头是水冷器的薄弱点，定期检验应注重管接头的检查，并将管接头的可靠性作为评定安全状况等级的必要判据。

5结束语

  作为炼化行业净化排空气体H2S的硫磺回收装置，硫磺水冷器至关重要，其内漏不仅影响装置的“安稳长满优”运行，而且更关乎石化公司对社会的HSE责任。而实现水冷器的安稳长周期运行，需要设计制造和使用管理及定期检验共同进行内漏的风险控制。