换热器泄漏成因调查
列管式换热器是石化行业广泛使用的热交换设备,其质量的好坏直接影响到石油化工企业的安全和经济效益。目前,由于各种原因产生的换热器泄漏,造成了物料的浪费和环境的污染,影响着生产装置的正常运行和工厂的经济效益,已成为生产中不可忽视的问题。了解换热器可能产生泄漏的部位和产生泄漏的普遍原因,并从设计、制造、使用三个环节着手加以控制,就能大大降低换热器的泄漏率。笔者对大量不同种类换热器的泄漏发生部位及产生泄漏的原因进行分析,并提出相应的对策,为换热器的设计、制造和使用提供参考。1换热器主要泄漏机理1.1温差应力及热疲劳换热器在石化行业中应用非常广泛,蒸汽发生器、再沸器、锅炉给水预热器等都是典型的换热设备。大多数换热器在运行过程中,管壳程流体之间都存在着一定的温差,多管程的换热器各程换热管之间也存在着较大的温差,温差导致管板两侧和换热管之间产生温差应力。当温差应力达到一定数值时,金属便会产生塑性变形和蠕变。如果换热器的操作温度周期性地变化,或者操作工况为反复加压、升温和卸压、降温的过程,那么热应力反复变化会使设备产生热疲劳。调查发现,很多炼油厂的蒸汽发生器都是由于这种原因而泄漏失效的。1.2管束振动
介质垂直于管束横向流动是流体诱发振动的主要根源,如果流入壳程的是气体,在与流动方向及管子轴线都垂直的方向上将形成声学驻波。当声学驻波的频率与卡曼旋涡频率和紊流抖振主频率一致时,还会激发产生声学驻波振动。在操作过程中,管束振动将引起管板与管子之间的熔敷金属中存在的气孔和其他缺陷扩大或扩展,发展到一定程度时这些缺陷就会被击穿或导致疲劳开裂。振动与换热器管子的固有频率有关,而固有频率与管束的结构、尺寸有关,因此换热器本身的设计缺陷是导致管束振动的原因。本次调查分析的多台再沸器[2,3],其壳程走中、高压蒸汽,管程走液体,都是在运行不久后就产生泄漏,修复后又规律性地隔三个月就漏。起初考虑了温差应力,但重新设计制造的再沸器加了膨胀节后,情况仍未改善。而扬子石化芳烃厂和上海石化芳烃厂的同类装置中的再沸器也是采取管程走中、高压蒸汽,壳程走液体,但投产多年来没有出现过泄漏,这说明中、高压蒸汽压力高、流速大,设计方面的缺陷引起的诱导振动才是换热器泄漏的主要原因。1.3制造过程中的缺陷
焊接质量是换热器制造上的关键。换热器管子与管板焊接时[4],在焊缝两侧形成热影响区,这是焊接接头的薄弱部位,容易产生残余变形和残余应力,即容易形成应力腐蚀的基本条件。若遇到腐蚀环境的影响,例如在H2S、OH-等环境中(奥氏体不锈钢在Cl-、OH-等环境中),就会发生应力腐蚀开裂,造成换热管接头处泄漏。管子与管板之间的缝隙处存在不流动液体,与缝隙外液体形成浓差电池,引起缝隙腐蚀,也会造成换热管接头处泄漏。管子与管板焊接结构的特点是具有排列紧密的小圆形单道焊缝,管板较厚,如果焊接工艺不当,就易造成焊缝根部夹渣、熔合不良、裂纹、气孔等焊接缺陷。在运行过程中这些缺陷受到交变应力的影响便会扩展,使泄漏通道扩大,导致泄漏。这已成为换热器失效的普遍原因。
采用强度胀接的换热器在胀接时,管板与换热管应有适当的硬度差,否则管子回弹大于管板,造成胀接不紧。另外,当管子外径与管板管孔之间的间隙较大时,要达到胀紧目的,管子就必须有较大的变形量。管子在胀接变形量增加的同时,其硬度也随之增加,从而使换热管的硬度更加大于管板硬度,导致胀接更加不紧]。1.4操作因素
换热器在运行过程中,由于生产工艺本身的特点或者由于工艺操作不规范导致介质压力不稳,温度骤变引起冲击热应力。这种操作压力和温度的瞬间波动将导致管板法兰密封面上垫片的压紧力发生变化,反复循环,致使法兰螺栓松动,密封失效。热冲击是以极大的速度和冲击形式施加的,造成比热疲劳更大的温度梯度,可以使材料失去延性,发生脆断[6]。2换热器发生泄漏的位置及原因分析
综上所述,导致换热器发生泄漏的原因可能在设计、制造和使用三个环节中的某个环节,也可能是二个或三个环节共同作用的结果。通过对大量换热器的分析,现将泄漏产生的位置及其产生的原因归纳如表1所示。
3结论
针对不同位置由于不同原因造成的泄漏,应采用不同的办法加以解决。设计因素引起的失效,往往需要重新进行结构设计和改造;制造过程产生的焊接缺陷应进行修复改善;操作不当则比较容易改进。
3.1设计时应注意的问题
(1)介质垂直于管束横向流动是流体诱发振动的主要根源,而影响横流速度的关键因素是壳程进口端第一块折流板与管板之间的距离和折流板间距。在流体压力降允许的条件下,缩短折流板间距,增大换热管直径,可以提高管束的固有频率,减小横流速度,达到防止管束振动的目的。用折流杆代替折流板支撑,可以彻底解决流体诱导振动问题。
(2)选材时除了考虑压力、温度、介质因素外,对于有温差的场合,设备制造用材还应注意选择线膨胀系数小、热导率大、塑性好的材料。在结构设计时采用温度补偿器,尽量消除和减少应力集中部位,使截面圆滑过渡,同时采取良好的保温措施,以减小内外壁温差,降低热应力,避免由于热应力过大而使容器产生塑性变形和蠕变。
(3)合理选择折流板间距,折流板间距过大,易产生诱导振动,而折流板间距过小,会使换热管刚性过大,变形协调能力低,产生温差应力。因此可以通过设计计算,在保证不发生振动的前提下选择较大的间距。3.2制造时应注意的问题
(1)改善焊接工艺,严格清理焊接部位,保证焊接质量。加强焊缝强度,加长换热管伸出管板的伸长量,以增加焊脚高度,提高换热管承受拉脱力的能力。采用低Mn和低Si焊丝小电流多道施焊,以减少焊接缺陷产生的几率。避免产生残余应力和应力集中。
(2)采用强度焊加贴胀。贴胀可消除管子与管板之间间隙,使振动产生的应力不直接作用在焊缝上,避免管束振动对管板与管子之间熔敷金属中存在的缺陷的影响,同时又能防止间隙腐蚀,大大增加连接处的抗拉脱强度。此外,强度焊加贴胀还具有双重保险的作用,如果焊缝被击穿,有贴胀做后盾,不会马上泄漏。
(3)严格控制螺栓预紧力,给垫片以足够的预紧比压力和压缩量。避免螺栓预紧力不够,或运输、操作中振动引起的螺栓松动,以确保管板法兰密封面的密封质量。3.3操作中应注意的问题
工艺操作要平稳,避免压力、温度突然升高和降低,避免管子产生强烈振动。
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