1、概述

合成氣分離裝置以凈化氣、未變換凈化氣及乙二醇弛放氫氣為原料，采用變壓吸附(PSA)工藝提純氫氣和一氧化碳，是中石化湖北化肥分公司20萬t/a合成氣制乙二醇工業(yè)示范項目主要生產(chǎn)裝置之一。為滿足工藝條件，產(chǎn)出合格工藝氣體輸送下游，同時適應(yīng)過程中存在高溫高壓有毒有害介質(zhì)，該裝置廣泛使用結(jié)構(gòu)堅固、可靠性高、適應(yīng)性強的管殼式換熱器，提高裝置安全性能。

系統(tǒng)運行后，受PU型催化劑粉化、工藝環(huán)境變化等因素影響，先后導(dǎo)致該裝置出現(xiàn)管殼式換熱器腐蝕失效、循環(huán)水泄漏工藝氣、墊片密封失效等事故。通過分析管殼式換熱器典型的故障，采取針對性改進措施，解決了管殼式換熱器腐蝕、泄漏問題［1-2］。自2018年7月至今，該裝置管殼式換熱器運行正常，為整體裝置安穩(wěn)長滿優(yōu)，提供了堅實的設(shè)備安全保障基礎(chǔ)。

2、管殼式換熱器基本類型

管殼式換熱器主要由筒體、封頭、管束、管板、折流板、接管、法蘭及膨脹節(jié)等組成。按結(jié)構(gòu)特點，管殼式換熱器分為固定管板式換熱器、浮頭式換熱器、U型管式換熱器、雙重管式換熱器、填料函式換熱器和雙管板換熱器等。前3種換熱器因其在制造、安裝、造價、清洗等方面的優(yōu)勢特點，綜合性價比高，廣泛應(yīng)用于化工行業(yè)。間壁式換熱器共計28臺，用于顯熱交換能量，其中管殼式換熱器24臺、板式換熱器4臺。PSA裝置工藝介質(zhì)組分為H₂、CO、CO₂、N₂、Ar、CH₄、CH₃OH、二甲醚、飽和蒸汽、循環(huán)水、氯化銅等［3-4］。發(fā)生典型故障的管殼式換熱器，共計固定管板、U型管式、浮頭式3種類型，詳細(xì)參數(shù)見表1。

3、管殼式換熱器的故障、原因分析及處置措施

3.1再生氣加熱器(E105)

3.1.1故障描述

2016年6月投用的E105為一臺雙管程固定管板立式換熱器，管板角焊縫部位蒸汽發(fā)生3次泄漏，工藝氣參數(shù)異常，下封頭導(dǎo)淋排出蒸汽(正常為氮氣)。每次檢修需要切除E105，降低裝置負(fù)荷，且修復(fù)時長至少為8h，嚴(yán)重影響生產(chǎn)效益和生產(chǎn)安全。為此必須找出泄漏的根本性原因(見表2)，并提出解決措施，從而消除隱患。

3.1.2原因分析

(1)換熱管制造缺陷

規(guī)格為φ25.000mm×2.500mm的E105換熱管，材質(zhì)為20#鋼。介質(zhì)沖刷引起磨損，換熱管銹蝕導(dǎo)致管壁減薄、腐蝕。當(dāng)不能滿足工藝工況時，換熱管發(fā)生泄漏。

(2)溫差應(yīng)力

金屬材料隨溫度變化而其體積膨脹或收縮的特征，稱為熱膨脹性。一般來說，受熱時，金屬體積會膨脹;冷卻時，金屬體積會收縮。體脹系數(shù)大約為線脹系數(shù)的3倍。由于換熱器的管板與換熱管之間為剛性焊接，上下封頭限制了換熱管受熱膨脹伸長量，使用過程中需承受較大的溫差應(yīng)力和壓力載荷。換熱管管板的溫度載荷高，則徑向變形大;換熱管管板的溫度載荷低，則徑向變形小。同時，管板厚度大，抵抗變形的剛度也大，管板連接處的殼體約束就大，限制了殼體在高溫載荷作用下引起的徑向膨脹。當(dāng)受熱膨脹伸長量大于設(shè)計值時，形成局部應(yīng)力集中，管板角焊縫等處出現(xiàn)裂紋和砂眼，導(dǎo)致管板出現(xiàn)泄漏，管殼程介質(zhì)發(fā)生互竄。

E105筒體材質(zhì)為Q345Ｒ，列管材質(zhì)為20#鋼，殼程蒸汽實際操作溫度為280℃，管程氮氣實際操作溫度為90℃，溫差為190K。

線脹系數(shù)計算公式如下:

α_L=(L₂-L₁)/(L₁×Δ_t)(1)

式中:α_L為線性膨脹系數(shù)，℃-¹，查表鐵(Fe)的線脹系數(shù)為11.76×10^-6℃^-1;L₁為膨脹前長度，m，換熱管設(shè)計長度為5m;L₂為膨脹后長度，m;Δ_t為溫度變化量，K。

把數(shù)據(jù)代入式中，由此計算出換熱管膨脹后長度。

11.76×10-6=(L₂-5)/(5×190)L₂=5.011(m)

管程與殼程極限溫差通常小于120K，經(jīng)計算，換熱管最大膨脹量長度為5.007m。即換熱管伸長量為11.000mm，其大于7.000mm(Max)，故換熱管膨脹伸長徑向應(yīng)力集中，導(dǎo)致與管板相連角焊縫發(fā)生泄漏。

3.1.3處置措施

(1)補焊

關(guān)閉氮氣進出口閥門并安裝盲板，關(guān)閉蒸汽管道進出口閥門，開E105上、下封頭后，緩慢打開E105殼程蒸汽入口閥。裝置切段時，采用著色探傷檢測方法，發(fā)現(xiàn)泄漏點并進行補焊處理(見圖1)。

通過該方法，暫時解決了泄漏問題。當(dāng)E105按原工況條件投入使用15d后，再次發(fā)生管板焊縫泄漏［1-2］。

(2)控制溫差

在滿足工藝操作條件下，優(yōu)化管程氮氣溫度及殼程蒸汽溫度，使其溫差小于120K，最終工藝條件無法實現(xiàn)。

(3)設(shè)計選型

分析設(shè)備泄漏的主要原因，判斷為結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理。因管程與殼程溫差為190K，管板角焊縫部位溫差拉應(yīng)力超過固定管板式換熱器允許的溫差。因此，正常工況下，固定管板式換熱器不能滿足要求，在接管和支座的規(guī)格尺寸、方位、標(biāo)高、總體結(jié)構(gòu)尺寸、換熱面積、主體材質(zhì)不變的情況下，將固定管板式換熱器更改為U型管式換熱器。U型換熱管及換熱管與管板焊接見圖2。

U型換熱管在筒體內(nèi)受熱膨脹，根據(jù)線脹系數(shù)公式，當(dāng)溫差為120K時，換熱管尺寸由原來的5.000m更改為U型管的10.400m，計算膨脹后極限長度伸長量為14.676mm。根據(jù)已知管程與殼程溫差為190K的工況，換熱管膨脹后長度極限伸長量為11.172mm。即U型換熱管滿足實際工況要求，溫差應(yīng)力在工藝允許范圍內(nèi)。

改型后的E105運行正常，至今未發(fā)生工藝介質(zhì)泄漏問題。

3.2PSA-3真空泵前冷器(E301)

3.2.1故障描述

E301為U型管換熱器，工藝流程為工藝氣T301→E301→P301→E302→D305，循環(huán)水流程為地面上水總管→E301(16.0m框架)→E302(20.5m框架)→地面回水總管。換熱器臥式布置在16.000m和20.500m框架上。U型管程介質(zhì)為循環(huán)水，殼程介質(zhì)為帶催化劑粉塵的CO氣體。

E301換熱面積為248.1m2，換熱管為φ19.000mm×2碳鋼管，共350根管。2018年7月15日，總控DCS顯示，E301殼程工藝氣壓力有緩慢上升趨勢。由于管程壓力高于殼程，導(dǎo)致氣體帶水，影響后續(xù)裝置設(shè)備安全穩(wěn)定運行。

3.2.2原因分析

(1)U型換熱管應(yīng)力故障

工藝工況波動，導(dǎo)致管板與管道存在一定的拉應(yīng)力或交變應(yīng)力。在換熱介質(zhì)、應(yīng)力改變以及發(fā)生間隙、碰撞、磨損等情況下，管子會產(chǎn)生微觀裂紋，裂紋會迅速擴展而發(fā)生泄漏［3-4］。

(2)循環(huán)水流速較小

E301管程為雙程，位于16.000m高鋼結(jié)構(gòu)平臺上。由于循環(huán)水總管壓力為0.30MPa，根據(jù)壓強公式P=ρgh，計算P為0.16MPa。由此可知，實際到達(dá)管程循環(huán)水壓力為0.14MPa時，壓力低、流速慢使得污垢沉積，宏觀生物體、微生物體吸附在換熱管及管板表面，導(dǎo)致?lián)Q熱效率降低，管程與殼程溫差較大形成應(yīng)力，集中破壞換熱管分子結(jié)構(gòu)，最終發(fā)生泄漏。

(3)循環(huán)水溫度較低

設(shè)計安裝時，雖針對循環(huán)水總管有溫度、壓力、流量監(jiān)控，但E301循環(huán)水側(cè)進出水管上未安裝壓力表及溫度計，不能及時觀察分支循環(huán)水工藝參數(shù)變化。根據(jù)低溫腐蝕的常識，換熱管循環(huán)水流速低，在低溫平均進出口溫度為35℃狀況下，導(dǎo)致20#碳鋼管耐腐蝕性能下降。同時，受熱面壁溫降低，循環(huán)水中溶解的氧與鐵發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，造成U型管腐蝕泄漏。

3.2.3處置措施

7月20日，乙二醇裝置因老廠區(qū)電網(wǎng)故障停車。檢查E301U型管式換熱器，發(fā)現(xiàn)換熱器管板上結(jié)垢嚴(yán)重，U型管被腐蝕堵塞(見圖3)。

(1)高壓水沖洗

抽芯后觀察U型換熱管及管板，發(fā)現(xiàn)其結(jié)垢較多。利用高壓水泵送出高壓水，根據(jù)污垢的致密度選擇高壓水壓力至合適范圍，對殼體內(nèi)壁、管束外壁銹垢進行全面清洗，直至潔凈。

(2)渦流檢測

E301為U型管式換熱器，總計350根列管。

由于U型彎管段探頭無法通過，探頭從列管兩端分別穿入，列管進口端和出口端分別計數(shù)。渦流檢測數(shù)據(jù)見圖4。

U型換熱管組設(shè)計值為φ19.000mm×2，按渦流測厚檢列管全長壁厚均勻一致標(biāo)準(zhǔn)，350根列管均存在不同程度的整體減薄情況。

(3)更換列管材質(zhì)

借助渦流檢測的精準(zhǔn)數(shù)據(jù)，將被抽芯的管束連接封頭復(fù)位，封頭導(dǎo)淋端引入0.45MPa循環(huán)水試壓，換熱管有17根存在明顯滲漏現(xiàn)象。用堵管維修方法不能解決換熱器換熱效果差問題，將20#碳鋼管更換為304不銹鋼管，嚴(yán)格控制工藝操作條件，可消除腐蝕泄漏問題。鑒于材料總成本性價比，最終全部U型管更新為20#材質(zhì)。

(4)工藝調(diào)整

導(dǎo)致E301腐蝕的主要原因為循環(huán)水至換熱器平臺壓力低，流速小于實際值，造成污垢聚集，導(dǎo)致氧離子化學(xué)反應(yīng)腐蝕換熱管。為提高循環(huán)水至平臺框架壓力，確保循環(huán)水工藝參數(shù)符合生產(chǎn)要求，在地面循環(huán)水總管處安裝額定體積流量為1000m3/h、揚程為15m、轉(zhuǎn)速為1480r/min的單級雙吸臥式離心泵。

離心泵投入使用后，E301循環(huán)水進出口壓力大于0.30MPa，出口溫度為39℃，其流量符合設(shè)計值要求。運行至今，該批次U型管換熱器未發(fā)生腐蝕泄漏故障。

3.3置換氣壓縮機氣體冷卻器(E303)

3.3.1故障描述

E303(見圖5)為內(nèi)浮頭式換熱器，殼程介質(zhì)為工藝氣，管程介質(zhì)為循環(huán)水。2015年3月23日，正常生產(chǎn)過程中發(fā)現(xiàn)其壓力波動、工藝氣溫度異常。工藝切除后，技術(shù)人員打開殼程導(dǎo)淋閘閥，發(fā)現(xiàn)有水溢出，隨即確定內(nèi)浮頭式換熱器內(nèi)漏。

3.3.2原因分析

(1)內(nèi)浮頭封頭螺栓、墊片失效

在室溫下安裝預(yù)緊時，法蘭環(huán)的密封面通過緊固螺栓施加的壓力而緊密接觸。當(dāng)墊片被壓緊后，墊片開始變形。隨著比壓的增大，墊片的變形變大，逐漸將墊片表面擠壓到法蘭密封面的波谷中。當(dāng)墊片單位面積上的壓緊力達(dá)到墊片預(yù)緊密封比壓時，墊片填滿整個波谷，阻止介質(zhì)從界面滲透出來。在壓緊力的作用下，墊片中間部分除有一定的塑性變形外，還有一定的彈性變形。在操作狀態(tài)下，介質(zhì)壓力、溫度升高。一方面，緊固螺栓受拉伸，導(dǎo)致法蘭密封面和墊片相接觸的壓緊面產(chǎn)生分離趨勢，墊片在預(yù)緊時形成的壓縮量減小，壓緊面上的密封比壓下降;另一方面，墊片在預(yù)緊時，壓縮變形中的彈性變形部分隨著壓緊面的分離趨勢必然要恢復(fù)而產(chǎn)生回彈作用，其壓縮變形的回彈量補償因螺栓的伸長引起壓緊面分離。當(dāng)作用在密封面墊片上的密封比壓不能達(dá)到墊片操作密封比壓時，且內(nèi)浮頭螺栓在使用過程中不能實現(xiàn)自緊密封，溫差應(yīng)力和預(yù)緊過程中存在殘余應(yīng)力，導(dǎo)致內(nèi)浮頭墊片失效泄漏(見圖6)。

(2)換熱器零部件受熱不均

運行3a后，吸附劑等工藝物料受工藝環(huán)境影響存在粉化現(xiàn)象。大量粉化吸附劑通過管道到達(dá)E303殼程，在內(nèi)浮頭處聚集;在正常生產(chǎn)時，管程與殼程存在80K左右的溫差，粉化吸附劑的參與進一步強化受熱不均，引起零部件應(yīng)力的分布變化，隨著時間推移不斷發(fā)生熱脹冷縮，最終導(dǎo)致泄漏(見圖7)。

(3)換熱管腐蝕

殼程設(shè)計壓力為1.00MPa、管程設(shè)計壓力為0.60MPa。按照操作規(guī)程，分別通入氮氣、循環(huán)水打壓至設(shè)計壓力，保壓30min后，壓力無明顯變化。通過渦流檢測，未發(fā)現(xiàn)漏點，證明換熱管暫未發(fā)生腐蝕失效。

3.3.3處置措施

(1)安裝過濾器

在換熱器入口管道安裝可切換的管道過濾器(見圖8)。在中控DCS上接入過濾器壓力監(jiān)測信號，正常值為0.6kPa。當(dāng)差壓值≥1.0kPa上限時，切換至旁路過濾器，并對過濾器進行清理，確保不因粉塵浮頭換熱器內(nèi)積聚造成的熱應(yīng)力失效。

(2)工藝查漏

裝置每次停車檢修后，待工藝處理合格，必須對內(nèi)浮頭墊片進行更換，并全部按照圖9中的順序(1—10)把緊螺栓。試壓時，若某一點泄漏，沿著該泄漏點兩側(cè)向外對稱地分別緊固螺栓消漏。復(fù)位內(nèi)浮頭后，按管程1.25倍設(shè)計壓力進行液壓或氣壓試驗，即0.75MPa查漏，確保其密封完好。

(3)更改墊片

根據(jù)鋼制管殼式換熱器相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，因工藝氣為有毒有害介質(zhì)，棄用耐油橡膠石棉板墊片。管板與封頭蓋墊片壓槽為凹凸面，槽寬為10.000mm、深度為5.000mm。金屬纏繞A型墊片易變形散架，故采用鍍鋅鐵皮包橡膠墊片。原設(shè)計金屬包覆墊片尺寸為φ895.000mm×865.000mm×3.200mm、φ950.000mm×910.000mm×3.200mm(帶筋)，觀察發(fā)現(xiàn)，由于安裝要求精度高，封頭蓋凸面不能100%充分貼緊密封墊。經(jīng)分析，將墊片厚度由3.200mm更改為4.000mm。

更換墊片的注意事項:①在運行過程中，盡量避免裝置溫度和壓力發(fā)生頻繁波動，對內(nèi)浮頭墊片造成影響，導(dǎo)致疲勞失效。②在確定檢修試驗壓力時，充分考慮溫度系數(shù)的影響，防止墊片在高溫下發(fā)生蠕變和應(yīng)力松弛，降低密封比壓，導(dǎo)致泄漏。③選用符合要求的強度螺栓，并使用正確的力矩工具緊固。若強行加大偏離正常值預(yù)緊力會使與其配合的相關(guān)部件變形，并且變形后無法形成預(yù)緊力或使預(yù)緊力下降。④選用墊片時，要符合實際要求，增加厚度，以保證密封結(jié)合面有效貼合。

在嚴(yán)格的施工檢修要求下，使用優(yōu)化后的墊片，從根本上消除了內(nèi)浮頭換熱器的泄漏問題。

3.4一氧化碳壓縮機段間換熱器(E304)

3.4.1故障描述

E304為固定管板式換熱器(臥式)，工藝參數(shù)見表3。2015年5月7日，注水試壓;5月8日上午，打壓至0.95MPa后，發(fā)現(xiàn)一根管道漏點。使用空心堵頭堵管后，殼程壓力保持至試驗壓力，維持30min(水壓試驗殼程壓力為0.94MPa，管程壓力為0.75MPa)，壓力無明顯下降。使用EEC-39ＲFT渦流儀，對859根規(guī)格為20.000mm×1.500mm×4000.000mmS30408換熱管進行檢測，檢測比例為100%。渦流測厚數(shù)據(jù)統(tǒng)計見表3。

由表3可知:合計檢測根數(shù)(包括不完全檢測管)為859根，其中缺陷列管根數(shù)為136根;管道平均壁厚為1.48mm。

由于換熱管采購周期為1個月，不滿足生產(chǎn)要求，于是對該換熱器進行堵管處理。

管殼式換熱器換熱面積計算公式為:

A=πNDL(2)

式中，A為換熱器換熱面積，m²;D為管道外徑，m;L為管道長度，m;N為管束的管數(shù)，根。

代入數(shù)據(jù)計算原管殼式換熱器換熱面積理論值。

A=3.14×859×0.02×4=215.78(m²)

堵管22根后代入數(shù)據(jù)換，計算熱面積

A=3.14×837×0.02×4=210.25(m²)

經(jīng)分析，滿足換熱面積基本要求。

值得注意的是，換熱面積是否滿足生產(chǎn)要求，要根據(jù)工藝條件進行判斷。根據(jù)歷年換熱管束發(fā)生腐蝕泄漏的事故案例及化工生產(chǎn)經(jīng)驗總結(jié)，在換熱器泄漏管束不超過總換熱管數(shù)10%的情況下，可以進行堵管處理。利用錐形金屬銷子，在換熱管的兩端打緊焊死，將泄漏的管子堵死不用。金屬銷子的材料硬度需低于換熱管的硬度，且銷子的錐度在3°～5°之間。當(dāng)泄漏的換熱管數(shù)量超過總數(shù)10%的情況下，采用堵管的方式對換熱器的換熱效率會產(chǎn)生較大影響，甚至直接不能滿足裝置工藝條件，故此時需更換管束。

堵管后，對管程殘存的催化劑粉塵進行高壓水沖洗后復(fù)位。5月12日裝置開車，當(dāng)打開循環(huán)水進出口閥門后，發(fā)現(xiàn)管程(工藝氣)壓力急速上升，工藝氣側(cè)導(dǎo)淋排出大量循環(huán)水，判斷為換熱管嚴(yán)重腐蝕穿孔導(dǎo)致泄漏。

3.4.2原因分析

換熱管材質(zhì)為不銹鋼，通常不銹鋼表面有一層鈍化膜，一旦其遭到破壞，破壞處即成為陽極，在水滴中會吸出鐵離子，開始出現(xiàn)點腐蝕。經(jīng)化驗分析，該換熱器中的催化劑粉塵中含有氯離子，當(dāng)氯離子溶解在水滴中，隨著其濃度逐漸增加，不銹鋼鈍化膜遭到嚴(yán)重破壞。在使用循環(huán)水沖洗含有氯離子的換熱管中，不銹鋼表面的氧化膜發(fā)生溶解，其原因是氯離子能優(yōu)先選擇吸附在氧化膜上，把氧原子排掉，然后和氧化膜中的陽離子結(jié)合生成可溶性氯化物，在基底金屬上生成孔徑為20～30μm的孔蝕核。在外加陽極極化條件下，介 質(zhì)中的氯離子加快反應(yīng)，其蝕核發(fā)展成蝕孔。由于點腐蝕生成的鐵鱗為多孔物質(zhì)，氯離子會加快點蝕速度。在含氧條件下，蝕孔進一步擴大，則發(fā)生腐蝕穿孔導(dǎo)致泄漏(見圖10)。

3.4.3處置措施

(1)結(jié)垢及粉化催化劑處理

此次腐蝕主要原因為催化劑組分氯化銅中氯離子析出，遇水與不銹鋼發(fā)生反應(yīng)造成腐蝕。檢修時，對于需清理的含氯離子污垢、催化劑粉塵等，使用干燥的工廠空氣進行吹掃清洗，將其氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制在25×10-6以下。

(2)更換換熱管材質(zhì)

為防止后續(xù)再次出現(xiàn)換熱管腐蝕失效情況，將換熱管、管板等部件的材質(zhì)更換為雙相鋼(見圖11)。

4、改造注意點

為避免或減少管殼式換熱器失效，根據(jù)其特性(見表4)，從源頭充分考慮選材、設(shè)計、制造、裝配和使用過程中風(fēng)險點，提高裝置整體運行效率。通過分析3種常用管殼式換熱器的實際案例，表明了影響管殼式換熱器失效的因素是多維度的。

5、結(jié)語

為了避免再次發(fā)生同樣的失效，一是在符合工藝條件下要準(zhǔn)確選型，包括全面分析溫度、壓力降、物流(介質(zhì)流程)以及換熱器材質(zhì)的安排;二是實時監(jiān)控?fù)Q熱器數(shù)據(jù)，包括溫度、壓力、流量，精心工藝操作、標(biāo)準(zhǔn)化檢修，確保各項實時數(shù)據(jù)控制在合理范圍內(nèi)，最大限度地延長換熱器使用壽命，保證設(shè)備及整個裝置系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行。

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