管壳式换热器典型失效分析及应对措施

发布时间：2024-11-21 23:21:57 浏览次数：

1、概述

合成气分离装置以净化气、未变换净化气及乙二醇弛放氢气为原料，采用变压吸附(PSA)工艺提纯氢气和一氧化碳，是中石化湖北化肥分公司20万t/a合成气制乙二醇工业示范项目主要生产装置之一。为满足工艺条件，产出合格工艺气体输送下游，同时适应过程中存在高温高压有毒有害介质，该装置广泛使用结构坚固、可靠性高、适应性强的管壳式换热器，提高装置安全性能。

系统运行后，受PU型催化剂粉化、工艺环境变化等因素影响，先后导致该装置出现管壳式换热器腐蚀失效、循环水泄漏工艺气、垫片密封失效等事故。通过分析管壳式换热器典型的故障，采取针对性改进措施，解决了管壳式换热器腐蚀、泄漏问题［1-2］。自2018年7月至今，该装置管壳式换热器运行正常，为整体装置安稳长满优，提供了坚实的设备安全保障基础。

2、管壳式换热器基本类型

管壳式换热器主要由筒体、封头、管束、管板、折流板、接管、法兰及膨胀节等组成。按结构特点，管壳式换热器分为固定管板式换热器、浮头式换热器、U型管式换热器、双重管式换热器、填料函式换热器和双管板换热器等。前3种换热器因其在制造、安装、造价、清洗等方面的优势特点，综合性价比高，广泛应用于化工行业。间壁式换热器共计28台，用于显热交换能量，其中管壳式换热器24台、板式换热器4台。PSA装置工艺介质组分为H₂、CO、CO₂、N₂、Ar、CH₄、CH₃OH、二甲醚、饱和蒸汽、循环水、氯化铜等［3-4］。发生典型故障的管壳式换热器，共计固定管板、U型管式、浮头式3种类型，详细参数见表1。

3、管壳式换热器的故障、原因分析及处置措施

3.1再生气加热器(E105)

3.1.1故障描述

2016年6月投用的E105为一台双管程固定管板立式换热器，管板角焊缝部位蒸汽发生3次泄漏，工艺气参数异常，下封头导淋排出蒸汽(正常为氮气)。每次检修需要切除E105，降低装置负荷，且修复时长至少为8h，严重影响生产效益和生产安全。为此必须找出泄漏的根本性原因(见表2)，并提出解决措施，从而消除隐患。

3.1.2原因分析

(1)换热管制造缺陷

规格为φ25.000mm×2.500mm的E105换热管，材质为20#钢。介质冲刷引起磨损，换热管锈蚀导致管壁减薄、腐蚀。当不能满足工艺工况时，换热管发生泄漏。

(2)温差应力

金属材料随温度变化而其体积膨胀或收缩的特征，称为热膨胀性。一般来说，受热时，金属体积会膨胀;冷却时，金属体积会收缩。体胀系数大约为线胀系数的3倍。由于换热器的管板与换热管之间为刚性焊接，上下封头限制了换热管受热膨胀伸长量，使用过程中需承受较大的温差应力和压力载荷。换热管管板的温度载荷高，则径向变形大;换热管管板的温度载荷低，则径向变形小。同时，管板厚度大，抵抗变形的刚度也大，管板连接处的壳体约束就大，限制了壳体在高温载荷作用下引起的径向膨胀。当受热膨胀伸长量大于设计值时，形成局部应力集中，管板角焊缝等处出现裂纹和砂眼，导致管板出现泄漏，管壳程介质发生互窜。

E105筒体材质为Q345Ｒ，列管材质为20#钢，壳程蒸汽实际操作温度为280℃，管程氮气实际操作温度为90℃，温差为190K。

线胀系数计算公式如下:

α_L=(L₂-L₁)/(L₁×Δ_t)(1)

式中:α_L为线性膨胀系数，℃-¹，查表铁(Fe)的线胀系数为11.76×10^-6℃^-1;L₁为膨胀前长度，m，换热管设计长度为5m;L₂为膨胀后长度，m;Δ_t为温度变化量，K。

把数据代入式中，由此计算出换热管膨胀后长度。

11.76×10-6=(L₂-5)/(5×190)L₂=5.011(m)

管程与壳程极限温差通常小于120K，经计算，换热管最大膨胀量长度为5.007m。即换热管伸长量为11.000mm，其大于7.000mm(Max)，故换热管膨胀伸长径向应力集中，导致与管板相连角焊缝发生泄漏。

3.1.3处置措施

(1)补焊

关闭氮气进出口阀门并安装盲板，关闭蒸汽管道进出口阀门，开E105上、下封头后，缓慢打开E105壳程蒸汽入口阀。装置切段时，采用着色探伤检测方法，发现泄漏点并进行补焊处理(见图1)。

通过该方法，暂时解决了泄漏问题。当E105按原工况条件投入使用15d后，再次发生管板焊缝泄漏［1-2］。

(2)控制温差

在满足工艺操作条件下，优化管程氮气温度及壳程蒸汽温度，使其温差小于120K，最终工艺条件无法实现。

(3)设计选型

分析设备泄漏的主要原因，判断为结构设计不合理。因管程与壳程温差为190K，管板角焊缝部位温差拉应力超过固定管板式换热器允许的温差。因此，正常工况下，固定管板式换热器不能满足要求，在接管和支座的规格尺寸、方位、标高、总体结构尺寸、换热面积、主体材质不变的情况下，将固定管板式换热器更改为U型管式换热器。U型换热管及换热管与管板焊接见图2。

U型换热管在筒体内受热膨胀，根据线胀系数公式，当温差为120K时，换热管尺寸由原来的5.000m更改为U型管的10.400m，计算膨胀后极限长度伸长量为14.676mm。根据已知管程与壳程温差为190K的工况，换热管膨胀后长度极限伸长量为11.172mm。即U型换热管满足实际工况要求，温差应力在工艺允许范围内。

改型后的E105运行正常，至今未发生工艺介质泄漏问题。

3.2PSA-3真空泵前冷器(E301)

3.2.1故障描述

E301为U型管换热器，工艺流程为工艺气T301→E301→P301→E302→D305，循环水流程为地面上水总管→E301(16.0m框架)→E302(20.5m框架)→地面回水总管。换热器卧式布置在16.000m和20.500m框架上。U型管程介质为循环水，壳程介质为带催化剂粉尘的CO气体。

E301换热面积为248.1m2，换热管为φ19.000mm×2碳钢管，共350根管。2018年7月15日，总控DCS显示，E301壳程工艺气压力有缓慢上升趋势。由于管程压力高于壳程，导致气体带水，影响后续装置设备安全稳定运行。

3.2.2原因分析

(1)U型换热管应力故障

工艺工况波动，导致管板与管道存在一定的拉应力或交变应力。在换热介质、应力改变以及发生间隙、碰撞、磨损等情况下，管子会产生微观裂纹，裂纹会迅速扩展而发生泄漏［3-4］。

(2)循环水流速较小

E301管程为双程，位于16.000m高钢结构平台上。由于循环水总管压力为0.30MPa，根据压强公式P=ρgh，计算P为0.16MPa。由此可知，实际到达管程循环水压力为0.14MPa时，压力低、流速慢使得污垢沉积，宏观生物体、微生物体吸附在换热管及管板表面，导致换热效率降低，管程与壳程温差较大形成应力，集中破坏换热管分子结构，最终发生泄漏。

(3)循环水温度较低

设计安装时，虽针对循环水总管有温度、压力、流量监控，但E301循环水侧进出水管上未安装压力表及温度计，不能及时观察分支循环水工艺参数变化。根据低温腐蚀的常识，换热管循环水流速低，在低温平均进出口温度为35℃状况下，导致20#碳钢管耐腐蚀性能下降。同时，受热面壁温降低，循环水中溶解的氧与铁发生化学反应，造成U型管腐蚀泄漏。

3.2.3处置措施

7月20日，乙二醇装置因老厂区电网故障停车。检查E301U型管式换热器，发现换热器管板上结垢严重，U型管被腐蚀堵塞(见图3)。

(1)高压水冲洗

抽芯后观察U型换热管及管板，发现其结垢较多。利用高压水泵送出高压水，根据污垢的致密度选择高压水压力至合适范围，对壳体内壁、管束外壁锈垢进行全面清洗，直至洁净。

(2)涡流检测

E301为U型管式换热器，总计350根列管。

由于U型弯管段探头无法通过，探头从列管两端分别穿入，列管进口端和出口端分别计数。涡流检测数据见图4。

U型换热管组设计值为φ19.000mm×2，按涡流测厚检列管全长壁厚均匀一致标准，350根列管均存在不同程度的整体减薄情况。

(3)更换列管材质

借助涡流检测的精准数据，将被抽芯的管束连接封头复位，封头导淋端引入0.45MPa循环水试压，换热管有17根存在明显渗漏现象。用堵管维修方法不能解决换热器换热效果差问题，将20#碳钢管更换为304不锈钢管，严格控制工艺操作条件，可消除腐蚀泄漏问题。鉴于材料总成本性价比，最终全部U型管更新为20#材质。

(4)工艺调整

导致E301腐蚀的主要原因为循环水至换热器平台压力低，流速小于实际值，造成污垢聚集，导致氧离子化学反应腐蚀换热管。为提高循环水至平台框架压力，确保循环水工艺参数符合生产要求，在地面循环水总管处安装额定体积流量为1000m3/h、扬程为15m、转速为1480r/min的单级双吸卧式离心泵。

离心泵投入使用后，E301循环水进出口压力大于0.30MPa，出口温度为39℃，其流量符合设计值要求。运行至今，该批次U型管换热器未发生腐蚀泄漏故障。

3.3置换气压缩机气体冷却器(E303)

3.3.1故障描述

E303(见图5)为内浮头式换热器，壳程介质为工艺气，管程介质为循环水。2015年3月23日，正常生产过程中发现其压力波动、工艺气温度异常。工艺切除后，技术人员打开壳程导淋闸阀，发现有水溢出，随即确定内浮头式换热器内漏。

3.3.2原因分析

(1)内浮头封头螺栓、垫片失效

在室温下安装预紧时，法兰环的密封面通过紧固螺栓施加的压力而紧密接触。当垫片被压紧后，垫片开始变形。随着比压的增大，垫片的变形变大，逐渐将垫片表面挤压到法兰密封面的波谷中。当垫片单位面积上的压紧力达到垫片预紧密封比压时，垫片填满整个波谷，阻止介质从界面渗透出来。在压紧力的作用下，垫片中间部分除有一定的塑性变形外，还有一定的弹性变形。在操作状态下，介质压力、温度升高。一方面，紧固螺栓受拉伸，导致法兰密封面和垫片相接触的压紧面产生分离趋势，垫片在预紧时形成的压缩量减小，压紧面上的密封比压下降;另一方面，垫片在预紧时，压缩变形中的弹性变形部分随着压紧面的分离趋势必然要恢复而产生回弹作用，其压缩变形的回弹量补偿因螺栓的伸长引起压紧面分离。当作用在密封面垫片上的密封比压不能达到垫片操作密封比压时，且内浮头螺栓在使用过程中不能实现自紧密封，温差应力和预紧过程中存在残余应力，导致内浮头垫片失效泄漏(见图6)。

(2)换热器零部件受热不均

运行3a后，吸附剂等工艺物料受工艺环境影响存在粉化现象。大量粉化吸附剂通过管道到达E303壳程，在内浮头处聚集;在正常生产时，管程与壳程存在80K左右的温差，粉化吸附剂的参与进一步强化受热不均，引起零部件应力的分布变化，随着时间推移不断发生热胀冷缩，最终导致泄漏(见图7)。

(3)换热管腐蚀

壳程设计压力为1.00MPa、管程设计压力为0.60MPa。按照操作规程，分别通入氮气、循环水打压至设计压力，保压30min后，压力无明显变化。通过涡流检测，未发现漏点，证明换热管暂未发生腐蚀失效。

3.3.3处置措施

(1)安装过滤器

在换热器入口管道安装可切换的管道过滤器(见图8)。在中控DCS上接入过滤器压力监测信号，正常值为0.6kPa。当差压值≥1.0kPa上限时，切换至旁路过滤器，并对过滤器进行清理，确保不因粉尘浮头换热器内积聚造成的热应力失效。

(2)工艺查漏

装置每次停车检修后，待工艺处理合格，必须对内浮头垫片进行更换，并全部按照图9中的顺序(1—10)把紧螺栓。试压时，若某一点泄漏，沿着该泄漏点两侧向外对称地分别紧固螺栓消漏。复位内浮头后，按管程1.25倍设计压力进行液压或气压试验，即0.75MPa查漏，确保其密封完好。

(3)更改垫片

根据钢制管壳式换热器相关标准，因工艺气为有毒有害介质，弃用耐油橡胶石棉板垫片。管板与封头盖垫片压槽为凹凸面，槽宽为10.000mm、深度为5.000mm。金属缠绕A型垫片易变形散架，故采用镀锌铁皮包橡胶垫片。原设计金属包覆垫片尺寸为φ895.000mm×865.000mm×3.200mm、φ950.000mm×910.000mm×3.200mm(带筋)，观察发现，由于安装要求精度高，封头盖凸面不能100%充分贴紧密封垫。经分析，将垫片厚度由3.200mm更改为4.000mm。

更换垫片的注意事项:①在运行过程中，尽量避免装置温度和压力发生频繁波动，对内浮头垫片造成影响，导致疲劳失效。②在确定检修试验压力时，充分考虑温度系数的影响，防止垫片在高温下发生蠕变和应力松弛，降低密封比压，导致泄漏。③选用符合要求的强度螺栓，并使用正确的力矩工具紧固。若强行加大偏离正常值预紧力会使与其配合的相关部件变形，并且变形后无法形成预紧力或使预紧力下降。④选用垫片时，要符合实际要求，增加厚度，以保证密封结合面有效贴合。

在严格的施工检修要求下，使用优化后的垫片，从根本上消除了内浮头换热器的泄漏问题。

3.4一氧化碳压缩机段间换热器(E304)

3.4.1故障描述

E304为固定管板式换热器(卧式)，工艺参数见表3。2015年5月7日，注水试压;5月8日上午，打压至0.95MPa后，发现一根管道漏点。使用空心堵头堵管后，壳程压力保持至试验压力，维持30min(水压试验壳程压力为0.94MPa，管程压力为0.75MPa)，压力无明显下降。使用EEC-39ＲFT涡流仪，对859根规格为20.000mm×1.500mm×4000.000mmS30408换热管进行检测，检测比例为100%。涡流测厚数据统计见表3。

由表3可知:合计检测根数(包括不完全检测管)为859根，其中缺陷列管根数为136根;管道平均壁厚为1.48mm。

由于换热管采购周期为1个月，不满足生产要求，于是对该换热器进行堵管处理。

管壳式换热器换热面积计算公式为:

A=πNDL(2)

式中，A为换热器换热面积，m²;D为管道外径，m;L为管道长度，m;N为管束的管数，根。

代入数据计算原管壳式换热器换热面积理论值。

A=3.14×859×0.02×4=215.78(m²)

堵管22根后代入数据换，计算热面积

A=3.14×837×0.02×4=210.25(m²)

经分析，满足换热面积基本要求。

值得注意的是，换热面积是否满足生产要求，要根据工艺条件进行判断。根据历年换热管束发生腐蚀泄漏的事故案例及化工生产经验总结，在换热器泄漏管束不超过总换热管数10%的情况下，可以进行堵管处理。利用锥形金属销子，在换热管的两端打紧焊死，将泄漏的管子堵死不用。金属销子的材料硬度需低于换热管的硬度，且销子的锥度在3°～5°之间。当泄漏的换热管数量超过总数10%的情况下，采用堵管的方式对换热器的换热效率会产生较大影响，甚至直接不能满足装置工艺条件，故此时需更换管束。

堵管后，对管程残存的催化剂粉尘进行高压水冲洗后复位。5月12日装置开车，当打开循环水进出口阀门后，发现管程(工艺气)压力急速上升，工艺气侧导淋排出大量循环水，判断为换热管严重腐蚀穿孔导致泄漏。

3.4.2原因分析

换热管材质为不锈钢，通常不锈钢表面有一层钝化膜，一旦其遭到破坏，破坏处即成为阳极，在水滴中会吸出铁离子，开始出现点腐蚀。经化验分析，该换热器中的催化剂粉尘中含有氯离子，当氯离子溶解在水滴中，随着其浓度逐渐增加，不锈钢钝化膜遭到严重破坏。在使用循环水冲洗含有氯离子的换热管中，不锈钢表面的氧化膜发生溶解，其原因是氯离子能优先选择吸附在氧化膜上，把氧原子排掉，然后和氧化膜中的阳离子结合生成可溶性氯化物，在基底金属上生成孔径为20～30μm的孔蚀核。在外加阳极极化条件下，介质中的氯离子加快反应，其蚀核发展成蚀孔。由于点腐蚀生成的铁鳞为多孔物质，氯离子会加快点蚀速度。在含氧条件下，蚀孔进一步扩大，则发生腐蚀穿孔导致泄漏(见图10)。