列管式
冷卻器是石化行業廣泛使用的熱交換設備,其質量的好壞直接影響到石油化工企業的安全和經濟效益。目前,由于各種原因產生的冷卻器泄漏,造成了物料的浪費和環境的污染,影響著生產裝置的正常運行和工廠的經濟效益,已成為生產中不可忽視的問題。了解冷卻器可能產生泄漏的部位和產生泄漏的普遍原因,并從設計、制造、使用三個環節著手加以控制,就能大大降低冷卻器的泄漏率。筆者對大量不同種類冷卻器的泄漏發生部位及產生泄漏的原因進行分析,并提出相應的對策,為冷卻器的設計、制造和使用提供參考。1冷卻器主要泄漏機理1.1溫差應力及熱疲勞
冷卻器在石化行業中應用非常廣泛,蒸汽發生器、再沸器、鍋爐給水預熱器等都是典型的換熱設備。大多數冷卻器在運行過程中,管殼程流體之間都存在著一定的溫差,多管程的冷卻器各程換熱管之間也存在著較大的溫差,溫差導致管板兩側和換熱管之間產生溫差應力。當溫差應力達到一定數值時,金屬便會產生塑性變形和蠕變。如果冷卻器的操作溫度周期性地變化,或者操作工況為反復加壓、升溫和卸壓、降溫的過程,那么熱應力反復變化會使設備產生熱疲勞。調查發現,很多煉油廠的蒸汽發生器都是由于這種原因而泄漏失效的。1.2管束振動
介質垂直于管束橫向流動是流體誘發振動的主要根源,如果流入殼程的是氣體,在與流動方向及管子軸線都垂直的方向上將形成聲學駐波。當聲學駐波的頻率與卡曼旋渦頻率和紊流抖振主頻率一致時,還會激發產生聲學駐波振動。在操作過程中,管束振動將引起管板與管子之間的熔敷金屬中存在的氣孔和其他缺陷擴大或擴展,發展到一定程度時這些缺陷就會被擊穿或導致疲勞開裂。振動與冷卻器管子的固有頻率有關,而固有頻率與管束的結構、尺寸有關,因此冷卻器本身的設計缺陷是導致管束振動的原因。本次調查分析的多臺再沸器[2,3],其殼程走中、高壓蒸汽,管程走液體,都是在運行不久后就產生泄漏,修復后又規律性地隔三個月就漏。起初考慮了溫差應力,但重新設計制造的再沸器加了膨脹節后,情況仍未改善。而揚子石化芳烴廠和上海石化芳烴廠的同類裝置中的再沸器也是采取管程走中、高壓蒸汽,殼程走液體,但投產多年來沒有出現過泄漏,這說明中、高壓蒸汽壓力高、流速大,設計方面的缺陷引起的誘導振動才是冷卻器泄漏的主要原因。1.3制造過程中的缺陷
焊接質量是冷卻器制造上的關鍵。冷卻器管子與管板焊接時[4],在焊縫兩側形成熱影響區,這是焊接接頭的薄弱部位,容易產生殘余變形和殘余應力,即容易形成應力腐蝕的基本條件。若遇到腐蝕環境的影響,例如在H2S、OH-等環境中(奧氏體不銹鋼在Cl-、OH-等環境中),就會發生應力腐蝕開裂,造成換熱管接頭處泄漏。管子與管板之間的縫隙處存在不流動液體,與縫隙外液體形成濃差電池,引起縫隙腐蝕,也會造成換熱管接頭處泄漏。管子與管板焊接結構的特點是具有排列緊密的小圓形單道焊縫,管板較厚,如果焊接工藝不當,就易造成焊縫根部夾渣、熔合不良、裂紋、氣孔等焊接缺陷。在運行過程中這些缺陷受到交變應力的影響便會擴展,使泄漏通道擴大,導致泄漏。這已成為冷卻器失效的普遍原因。
采用強度脹接的冷卻器在脹接時,管板與換熱管應有適當的硬度差,否則管子回彈大于管板,造成脹接不緊。另外,當管子外徑與管板管孔之間的間隙較大時,要達到脹緊目的,管子就必須有較大的變形量。管子在脹接變形量增加的同時,其硬度也隨之增加,從而使換熱管的硬度更加大于管板硬度,導致脹接更加不緊]。1.4操作因素
冷卻器在運行過程中,由于生產工藝本身的特點或者由于工藝操作不規范導致介質壓力不穩,溫度驟變引起沖擊熱應力。這種操作壓力和溫度的瞬間波動將導致管板法蘭密封面上墊片的壓緊力發生變化,反復循環,致使法蘭螺栓松動,密封失效。熱沖擊是以極大的速度和沖擊形式施加的,造成比熱疲勞更大的溫度梯度,可以使材料失去延性,發生脆斷[6]。2冷卻器發生泄漏的位置及原因分析
綜上所述,導致冷卻器發生泄漏的原因可能在設計、制造和使用三個環節中的某個環節,也可能是二個或三個環節共同作用的結果。通過對大量冷卻器的分析,現將泄漏產生的位置及其產生的原因歸納如表1所示。
3結論
針對不同位置由于不同原因造成的泄漏,應采用不同的辦法加以解決。設計因素引起的失效,往往需要重新進行結構設計和改造;制造過程產生的焊接缺陷應進行修復改善;操作不當則比較容易改進。
3.1設計時應注意的問題
(1)介質垂直于管束橫向流動是流體誘發振動的主要根源,而影響橫流速度的關鍵因素是殼程進口端第一塊折流板與管板之間的距離和折流板間距。在流體壓力降允許的條件下,縮短折流板間距,增大換熱管直徑,可以提高管束的固有頻率,減小橫流速度,達到防止管束振動的目的。用折流桿代替折流板支撐,可以徹底解決流體誘導振動問題。
(2)選材時除了考慮壓力、溫度、介質因素外,對于有溫差的場合,設備制造用材還應注意選擇線膨脹系數小、熱導率大、塑性好的材料。在結構設計時采用溫度補償器,盡量消除和減少應力集中部位,使截面圓滑過渡,同時采取良好的保溫措施,以減小內外壁溫差,降低熱應力,避免由于熱應力過大而使容器產生塑性變形和蠕變。
(3)合理選擇折流板間距,折流板間距過大,易產生誘導振動,而折流板間距過小,會使換熱管剛性過大,變形協調能力低,產生溫差應力。因此可以通過設計計算,在保證不發生振動的前提下選擇較大的間距。3.2制造時應注意的問題
(1)改善焊接工藝,嚴格清理焊接部位,保證焊接質量。加強焊縫強度,加長換熱管伸出管板的伸長量,以增加焊腳高度,提高換熱管承受拉脫力的能力。采用低Mn和低Si焊絲小電流多道施焊,以減少焊接缺陷產生的幾率。避免產生殘余應力和應力集中。
(2)采用強度焊加貼脹。貼脹可消除管子與管板之間間隙,使振動產生的應力不直接作用在焊縫上,避免管束振動對管板與管子之間熔敷金屬中存在的缺陷的影響,同時又能防止間隙腐蝕,大大增加連接處的抗拉脫強度。此外,強度焊加貼脹還具有雙重保險的作用,如果焊縫被擊穿,有貼脹做后盾,不會馬上泄漏。
(3)嚴格控制螺栓預緊力,給墊片以足夠的預緊比壓力和壓縮量。避免螺栓預緊力不夠,或運輸、操作中振動引起的螺栓松動,以確保管板法蘭密封面的密封質量。3.3操作中應注意的問題
工藝操作要平穩,避免壓力、溫度突然升高和降低,避免管子產生強烈振動。
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GL 系列冷卻器
