高溫氮?dú)釻形管換熱器運(yùn)行故障分析及改進(jìn)措施

朱鋒杰

(中國石化儀征化纖有限責(zé)任公司，江蘇儀征 211900)

1 U形管換熱器故障概述

1.1 U形管換熱器故障經(jīng)過

2012年11月14日，當(dāng)班人員發(fā)現(xiàn)某裝置風(fēng)機(jī)進(jìn)出口壓力波動(dòng)，露點(diǎn)異常。經(jīng)排查發(fā)現(xiàn)前置換熱器管程有滲水現(xiàn)象，進(jìn)一步檢查發(fā)現(xiàn)9根換熱管存在泄漏問題，隨即采取了封堵措施。通過查閱檢修記錄，發(fā)現(xiàn)2010年大修時(shí)有14根換熱管存在泄漏問題，當(dāng)時(shí)采取了封堵措施。(該換熱器換熱管共有265根)這樣封堵的換熱管達(dá)到了23根(接近10%)，加之中間隔板變形，系統(tǒng)存在短路現(xiàn)象，從而導(dǎo)致該換熱器換熱效果變差，風(fēng)機(jī)入口氮?dú)鉁囟纫呀咏O(shè)備聯(lián)鎖的上限值，如不能及時(shí)解決，有可能出現(xiàn)因風(fēng)機(jī)進(jìn)氣溫度偏高造成系統(tǒng)聯(lián)鎖停車的風(fēng)險(xiǎn)，因此，該設(shè)備列管泄漏被列入裝置的重大隱患。

1.2 U形管換熱器的概述

該生產(chǎn)線應(yīng)用的U形管換熱器是管殼式換熱器的一種，屬石油化工設(shè)備，由管箱、殼體及管束等主要部件組成，主要部件均由不銹鋼制造。U形管換熱器僅有一個(gè)管板，管子兩端均固定于同一管板上。其特點(diǎn)如下：

(1) 管束可以自由伸縮，不會(huì)因管殼之間的溫差而產(chǎn)生熱應(yīng)力，熱補(bǔ)償性能好；

(2) 管程為雙管程，流程較長，流速較高，傳熱性能較好；

(3) 承壓能力強(qiáng)；

(4) 可用于殼程結(jié)垢比較嚴(yán)重的場合；

(5) 管束可從殼體內(nèi)抽出，便于檢修和清洗，且結(jié)構(gòu)簡單，造價(jià)便宜。[1]

U形管換熱器同時(shí)也存在管內(nèi)清洗不便，管束中間部分的管子難以更換，又因最內(nèi)層管子彎曲半徑不能太小，在管板中心部分布管不緊湊，所以管子數(shù)不能太多，且管束中心部分存在間隙，使殼程流體易于短路而影響殼程換熱。且U形管的彎管部分曲率不同，管子長度不一，因而流體分布不如固定管板式換熱器均勻；管子因滲漏而只能堵死，這將造成換熱面積的損失。

針對本設(shè)備列管泄漏的宏觀分析，該設(shè)備管子的U形處沖蝕現(xiàn)象明顯，應(yīng)是主要的缺陷源。

該換熱器的技術(shù)特性表如表1所示。

表1 U形管換熱器技術(shù)特性表

2 高溫氮?dú)釻形管換熱器故障分析

2.1 高溫氮?dú)釻形管式換熱器前后工藝流程簡介

現(xiàn)場U形管換熱器管層介質(zhì)為循環(huán)冷卻水，殼層介質(zhì)為高溫氮?dú)?。系統(tǒng)內(nèi)280 ℃的氮?dú)鈴腢形管換熱器的上進(jìn)口進(jìn)入殼程，經(jīng)過與U形換熱管換熱后，從殼程的下出口溢出，出口約40 ℃的氮?dú)膺M(jìn)入羅茨風(fēng)機(jī)。循環(huán)冷卻水從U形管換熱器管程的下進(jìn)口進(jìn)入，進(jìn)水溫度約33 ℃，經(jīng)過U形管式換熱器換熱管與高溫氮?dú)膺M(jìn)行換熱，出口循環(huán)冷卻水溫度約38 ℃，如圖1所示。一旦U形管換熱器換熱管發(fā)生滲漏及堵塞，將導(dǎo)致羅茨風(fēng)機(jī)氮?dú)馊肟跍囟冉咏O(shè)備聯(lián)鎖的上限值(55 ℃)，就有可能出現(xiàn)因風(fēng)機(jī)進(jìn)氣溫度偏高造成系統(tǒng)聯(lián)鎖停車。

圖1 PID流程圖

2.2 高溫氮?dú)釻形管換熱器運(yùn)行故障分析

通過對U形管式換熱器幾起泄漏故障的排查和比較，缺陷的主要表現(xiàn)形式有以下共同點(diǎn)：a)換熱管堵塞；b)彎管處換熱管破裂；c)氮?dú)馊肟谔帗Q熱管破裂。產(chǎn)生的主要原因?yàn)椋?/p>

(1) 循環(huán)冷卻水中存在雜質(zhì)異物：a)因換熱器前未加過濾器，導(dǎo)致循環(huán)冷卻水中的雜質(zhì)(黑色填料等)進(jìn)入換熱管，在換熱管的彎管處堆積，使得換熱管堵塞，從而使換熱效果越來越差；b)因填料在彎管處的不斷堆積堵塞，使得該局部循環(huán)冷卻水因流通不暢加熱汽化，該局部區(qū)域氯離子含量增大產(chǎn)生點(diǎn)蝕，而產(chǎn)生的氣體會(huì)進(jìn)一步受熱膨脹，局部會(huì)產(chǎn)生較大壓力，使管壁承受較大應(yīng)力，進(jìn)而發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂。

(2) 換熱器設(shè)計(jì)不合理：由于氮?dú)膺M(jìn)出口處溫差較大(從280 ℃降到40 ℃)，氮?dú)馊肟谔帗Q熱管在高溫氮?dú)獾牟粩鄾_刷下產(chǎn)生交變應(yīng)力，從而發(fā)生疲勞開裂。

3 高溫氮?dú)釻形管換熱器改進(jìn)措施

針對U型管換熱器換熱管所形成的缺陷，結(jié)合U形管換熱器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，我們在加強(qiáng)運(yùn)行管理的同時(shí)，與原設(shè)計(jì)制造單位進(jìn)行溝通和協(xié)調(diào)，在更新U形管換熱器管束時(shí)，對U形管式換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了改造。

在話劇《松綁》試演之后，福建省文化廳組織召開第三十二期“火花茶會(huì)”。出席會(huì)議的有廳領(lǐng)導(dǎo)石建平廳長以及黃葦洲副廳長、林守欽副廳長和趙建宏副巡視員，同時(shí)邀請到北京的三位重量級專家，中科院文藝研究所研究員劉平、中國劇協(xié)《劇本》原主編溫大勇、中國劇協(xié)《劇本》原主編黎繼德，以及省內(nèi)專家和包括上海人藝導(dǎo)演楊昕巍在內(nèi)的主創(chuàng)人員。會(huì)議由福建省戲劇家協(xié)會(huì)主席、福建省文化廳藝術(shù)處處長吳新斌主持?，F(xiàn)將與會(huì)者發(fā)言予以刊載，以饗讀者。

3.1 生產(chǎn)運(yùn)行優(yōu)化

在循環(huán)水總管進(jìn)口增加籃式過濾器，定期清洗濾籃，過濾掉循環(huán)水中的雜質(zhì)，進(jìn)而減少或杜絕換熱管堵塞，避免因換熱管堵塞，使循環(huán)冷卻水局部汽化產(chǎn)生較高壓力的水蒸汽。

在開車運(yùn)行時(shí)，先開通循環(huán)冷卻水，使U形管換熱器管束首先充滿循環(huán)冷卻水，并確認(rèn)通暢。

加熱高溫氮?dú)獾倪^程中，應(yīng)緩慢加熱，并保證加熱后的氮?dú)饩徛M(jìn)入U(xiǎn)形管換熱器。

U形管換熱器運(yùn)行時(shí)，工藝生產(chǎn)如需采用通過調(diào)節(jié)循環(huán)冷卻水流量的方式以達(dá)到調(diào)節(jié)U形管換熱器出口氮?dú)鉁囟鹊哪康臅r(shí)，應(yīng)針對換熱器循環(huán)冷卻水出水口閥門進(jìn)行流量調(diào)節(jié)，嚴(yán)禁針對換熱器循環(huán)冷卻水進(jìn)水口閥門進(jìn)行流量調(diào)節(jié)。

在停車過程中，先緩慢關(guān)閉和停運(yùn)U形管換熱器進(jìn)口高溫氮?dú)猓蛊銾形管換熱器管束各部分溫度趨向與循環(huán)冷卻水溫度一致時(shí)再關(guān)閉U形管換熱器循環(huán)冷卻水。

3.2 U形管換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)改造

在U形管換熱器氮?dú)馊肟诓课辉黾臃罌_板，既能減輕高溫氮?dú)鈱澒艿臎_刷，又能相應(yīng)增加有效換熱停留時(shí)間，從而改善換熱效果。如圖2所示。

圖2 殼層入口加防沖板示意圖1):定距管；2):滑板；3):定距管；4):拉桿；5):螺母；6):拉桿；7):防沖板；8):拉筋

表2 U形管換熱器換熱管分布數(shù)量及長度

通過計(jì)算換熱管總長度，新增加8根換熱管，合理布局排列，既達(dá)到了避開殘余應(yīng)力較大區(qū)域，又保證了換熱面積。計(jì)算過程如下：

U形管總數(shù)：n1=6+9+14+17+18+19+20+21+20+23+24+25+24+25=265

左移200 mm后相當(dāng)于減少的換熱管總長：L1=265×2×0.2=106 m

通過合理排列增加8根換熱管后的增加總長(即第1層增加2根；第2層增加2根；第7層增加2根；第8層增加2根)：

L2=(13.975+13.889+13.309+12.973)×2=108.292 m>L1，符合要求，新增加8根換熱管可以滿足換熱面積的要求。

4 結(jié) 論

自2013年年初對第一臺換熱器更新改造以來，所涉及裝置系統(tǒng)運(yùn)行良好，根據(jù)我們對其運(yùn)行狀況進(jìn)行的8年多的跟蹤結(jié)果，說明改進(jìn)措施達(dá)到了預(yù)期的目的和效果。