張德聲

(中國(guó)石化上海石油化工股份有限公司芳烴部，上海 200540)

“U”形管式換熱器能消除管殼程之間的溫差影響，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)便宜、檢修方便、管外易清洗等優(yōu)點(diǎn)，在化工、煉油、動(dòng)力和核能工業(yè)中具有廣泛的應(yīng)用。由于換熱器為“U”形彎管的結(jié)構(gòu)，管束的固有頻率較低，極易在橫向流中引起振動(dòng)[1]。因此，管束使用中振動(dòng)現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，尤其是采用較少折流板和較小直徑管子的換熱器[2-6]。文章就某環(huán)丁砜抽提裝置中發(fā)生的換熱器管束振動(dòng)的原因進(jìn)行了分析。

1 故障情況

故障管束為抽提裝置溶劑再沸器，用來加熱塔底溶劑，管程介質(zhì)為蒸汽，為塔釜提供熱量。管束直接插入塔內(nèi)底部，操作過程中管束浸沒于塔底液面下。塔底(即管束殼程)進(jìn)料分為兩股，一股氣相進(jìn)料(溫度176 ℃)自管束下方的進(jìn)料分配管進(jìn)入塔內(nèi)，另一股液相進(jìn)料(溫度105 ℃)在塔底液面上方進(jìn)入，而出口全部為氣相，至塔頂排出。再沸器主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 再沸器主要技術(shù)參數(shù)

管束投用以來經(jīng)常發(fā)生故障，使用周期只有8～12個(gè)月。故障均為管束內(nèi)漏，經(jīng)多次修復(fù)，問題未得到徹底解決。每次檢修均發(fā)現(xiàn)支撐板內(nèi)孔磨損擴(kuò)大，尤其是第1、2排(自上而下)管子的磨損最大，管束存在振動(dòng)的可能。管板殼側(cè)表面腐蝕，拉桿與管板的連接處松脫，拉桿端部固定螺栓脫落導(dǎo)致?lián)Q熱管泄漏。而“U”形換熱管外表無明顯腐蝕，說明碳鋼材料存在腐蝕。

2.1 管束振動(dòng)情況

再沸器直徑為500 mm，換熱管130根，共10排，正三角形布置；換熱管材料為S32168，直徑19 mm，壁厚2 mm；支撐板間距560 mm，再沸塔直徑1 800 mm。管束安裝在塔底內(nèi)部，依靠滑道安裝在塔內(nèi)兩根支撐角鋼上，并用“U”形抱箍固定，管束支撐的剛性較差，支撐角鋼也曾脫焊松動(dòng)。塔底氣相進(jìn)料經(jīng)塔底下方的分配管后，由下向上橫向流過管束，對(duì)換熱管產(chǎn)生向上升力，引起管子振動(dòng)，造成換熱管、支撐板接觸部位磨損。因此，殼程兩相流誘發(fā)管束振動(dòng)的可能性很大。

2.2 管束振動(dòng)計(jì)算分析

操作過程中管束在塔底液位以下，液體被加熱后氣化向上由塔頂排出，氣相垂直于換熱管流動(dòng)，為兩相流誘導(dǎo)的管束振動(dòng)。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 151—2014《管殼式換熱器》給出了液相或氣相的振動(dòng)計(jì)算方法，而本例介質(zhì)為氣、液兩相，故按照文獻(xiàn)[7]推薦的方法，對(duì)管束外兩相流引起的振動(dòng)進(jìn)行計(jì)算和分析。

管束振動(dòng)產(chǎn)生的主要原因有流體彈性不穩(wěn)定、湍流激振、漩渦脫落激振及聲共振等。兩相流引發(fā)的振動(dòng)主要是流體彈性不穩(wěn)定及湍流激振，聲共振誘發(fā)振動(dòng)的可能性較小。

(1)換熱管束固有頻率f計(jì)算

由于“U”形管束的結(jié)構(gòu)特性，各排“U”形管的長(zhǎng)度、數(shù)量、彎曲半徑及彎曲部分支撐結(jié)構(gòu)尺寸并不一致，固有頻率也不一樣。因此，需分別計(jì)算各排管束的固有頻率。計(jì)算時(shí)流量按實(shí)際操作值，并根據(jù)平均溫度確定物性參數(shù)，減小誤差。物性數(shù)據(jù)取自裝置設(shè)計(jì)文件，管束結(jié)構(gòu)參數(shù)見表2。

表2 管束結(jié)構(gòu)參數(shù)

*管板表面(管程)堆焊了S32168不銹鋼。

對(duì)于“U”形管束，固有頻率f按公式(1)[8-9]計(jì)算：

(1)

式中：f為“U”形管在兩相流中的固有頻率；E為換熱管彈性模量，對(duì)于不銹鋼材料取190 GPa；do為換熱管外徑；di為換熱管的內(nèi)徑；λn為頻率常數(shù)，與管端固定及跨數(shù)相關(guān)，對(duì)各排“U”形管有各自的頻率常數(shù)，分別取3.1、3.65、3.8、4.2、5.45、5.6、6.4、7.4、8.05、8.05；m為每米管長(zhǎng)的總質(zhì)量，文中取1.15 kg/m。

將上述數(shù)據(jù)代入公式(1)計(jì)算，得到第10至第1排“U”形管的固有頻率分別為：100.52 Hz、100.52 Hz、92.41 Hz、79.92 Hz、69.93 Hz、68.1 Hz、52.45 Hz、47.45 Hz、45.58 Hz、38.71 Hz。

(2)流速計(jì)算

判斷流體彈性不穩(wěn)定引起的振動(dòng)主要依據(jù)是管間流速是否大于臨界流速，兩相流體在管間隙中的流速Vg按公式(2)計(jì)算：

Vg=VS/(S-do)

(2)

式中：S為管子中心距，0.025 m；do為換熱管外徑，0.019 m；V為氣液兩相平均流速，2.65 m/s，其中V=Vg+Vl，Vg為氣相速度，Vl為液相速度。

本例中殼程介質(zhì)進(jìn)料為氣液兩相，氣相底部進(jìn)入，加熱后汽化并垂直于管束向上流動(dòng)；液相在液面上面進(jìn)入，塔釜的流動(dòng)除了由溫差引起的液體流動(dòng)外，主要是氣相的流動(dòng)，氣相介質(zhì)的流動(dòng)是誘發(fā)管束振動(dòng)的主要原因。從傳熱過程分析，介質(zhì)氣化在經(jīng)過管束加熱后才開始，氣相的流動(dòng)在管束中部以上居多，部分氣化在管束以上的液體內(nèi)進(jìn)行。故計(jì)算氣液平均流速時(shí),不考慮管束上方對(duì)振動(dòng)無影響的氣相流量，取4 000 kg/m3來計(jì)算殼程橫向流動(dòng)速度。操作過程液面波動(dòng)很小，取V1≈0。

根據(jù)公式(2)計(jì)算得管間流速Vg=9.55 m/s。

(3)流體彈性不穩(wěn)定計(jì)算

設(shè)計(jì)時(shí)，換熱器殼側(cè)兩相流的實(shí)際流速應(yīng)小于臨界流速(Vc)，Vc按公式(3)計(jì)算：

(3)

式中：Vc為臨界流速，m/s；K為不穩(wěn)定常數(shù)，對(duì)節(jié)徑比S/do=1.317，小于1.47，因此按式K=4.76(S-do/de)+0.76計(jì)算，計(jì)算得到K=2.263 1；δ為管子的對(duì)數(shù)衰減率，反映兩相流換熱器的結(jié)構(gòu)阻尼、黏性阻尼、兩相組分阻尼，根據(jù)文獻(xiàn)[7]計(jì)算得δ=0.069 5。

將上述數(shù)據(jù)代入公式(3)，計(jì)算得到第10排Vc=2.28 m/s。

對(duì)第9至第1排“U”形管分別計(jì)算δ，得到其余各排管子的Vc分別為2.28 m/s、2.18 m/s、2.02 m/s、1.89 m/s、1.86 m/s、1.52 m/s、1.63 m/s、1.55 m/s、1.51 m/s、1.39 m/s。對(duì)照臨界流速，發(fā)現(xiàn)管間流速均大于臨界流速。

根據(jù)振動(dòng)分析計(jì)算可以知道：兩相流的管間流速為9.55 m/s，大于管束各排換熱管臨界流速，所以管束產(chǎn)生流體彈性不穩(wěn)定。因流速較大，結(jié)構(gòu)吸收的流體力超過了阻尼的耗散，導(dǎo)致流體彈性不穩(wěn)定；流體力和結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)耦合，導(dǎo)致管束產(chǎn)生振動(dòng)。計(jì)算各排管子的臨界流速中，最低的為第1排管子，1.39 m/s，其彎曲半徑最大、固有頻率最低；最高的為第10排管子，2.28 m/s，其彎曲半徑最小，固有頻率最高。計(jì)算說明第一排管子最易發(fā)生振動(dòng)，這與管束第1排支撐板磨損最嚴(yán)重的狀況相符。

2.3 介質(zhì)腐蝕的影響

再沸器殼程介質(zhì)為富溶劑(主要為環(huán)丁砜、水)，管程介質(zhì)為蒸汽。環(huán)丁砜溶劑化學(xué)性質(zhì)和熱穩(wěn)定性較好，在使用過程中，環(huán)丁砜溶劑在溫度高于180 ℃時(shí)開始分解，但分解速度緩慢，腐蝕性較??；隨著溫度的升高，分解速度加快，當(dāng)溫度超過220 ℃時(shí)，分解明顯，溶劑顏色變深，分解生成淺黑色的聚合物、SO2和磺酸類物質(zhì)，pH急劇下降，腐蝕性增加。除溫度外，影響環(huán)丁砜分解、劣化的因素還有溶劑系統(tǒng)的氧、氯離子和水的含量等。環(huán)丁砜的劣化容易造成系統(tǒng)腐蝕加劇，但對(duì)不銹鋼材料的腐蝕性很小，故材質(zhì)為S32168不銹鋼的“U”形管和有不銹鋼堆焊層覆蓋的管板沒有腐蝕。實(shí)際操作溫度接近180 ℃，因此碳鋼的拉桿、沒有堆焊不銹鋼一側(cè)的管板以及管板螺紋孔都存在腐蝕[10-11]。拉桿與管板連接螺紋孔間隙內(nèi)介質(zhì)不流動(dòng)，并不斷受熱分解，腐蝕性介質(zhì)不斷濃縮，形成縫隙腐蝕。管束振動(dòng)使拉桿、螺紋孔表面形成的保護(hù)膜不斷破壞，加速了腐蝕的進(jìn)程；管板連接螺紋孔腐蝕不斷進(jìn)行，最終導(dǎo)致拉桿松脫。

3 結(jié)論

(1)管束損壞的原因是振動(dòng)與腐蝕的復(fù)合結(jié)果，其中“U“形管束的流體彈性不穩(wěn)定引起的振動(dòng)是主要原因。換熱管與管板脹接后，脹接部位有較高的應(yīng)力，振動(dòng)使這一部位疊加拉伸與壓縮的交變載荷，使用時(shí)間長(zhǎng)了管子產(chǎn)生疲勞裂紋，在脹接與不脹的交界處產(chǎn)生裂紋并形成疲勞開裂[12]。振動(dòng)也使換熱管與支撐板之間產(chǎn)生周期性撞擊，形成微動(dòng)磨損，導(dǎo)致支撐板孔磨損、擴(kuò)大。管束拉桿的材質(zhì)是碳鋼，與管板的螺紋連接部位存在縫隙腐蝕；而管束長(zhǎng)期振動(dòng)也加快了腐蝕，使拉桿孔腐蝕、松動(dòng)，阻尼作用減弱，促使振動(dòng)加劇。

(2)由于管束振動(dòng)的主要原因是管間流速過大，為避免管束振動(dòng)，應(yīng)提高管束固有頻率和臨界流速，在結(jié)構(gòu)上增加3塊支撐板，同時(shí)減小50%的流量。經(jīng)計(jì)算管間流速可減小至4.77 m/s，但仍大于各排管子中的最大臨界流速3.53 m/s，管束仍會(huì)產(chǎn)生流體彈性不穩(wěn)定引起的振動(dòng)。由于介質(zhì)氣化后體積膨脹增大，導(dǎo)致流速過大，提高固有頻率，降低流量仍不能完全消除振動(dòng)，需要做更大的改變，如增加管束直徑、擴(kuò)大管板布管區(qū)域、布管方式由三角形變?yōu)檎叫巍p少處理量。但這些改動(dòng)涉及范圍較大，需要改變?cè)兴肮苁某叽绾徒Y(jié)構(gòu)。

(3)改單面堆焊S32168不銹鋼為采用整體不銹鋼管板、拉桿材料也由碳鋼改為S32168不銹鋼,減小殼程介質(zhì)腐蝕，防止拉桿孔腐蝕松動(dòng)加劇振動(dòng)。