列管式
冷卻器是石化行業(yè)廣泛使用的熱交換設(shè)備,其質(zhì)量的好壞直接影響到石油化工企業(yè)的安全和經(jīng)濟(jì)效益。目前,由于各種原因產(chǎn)生的冷卻器泄漏,造成了物料的浪費(fèi)和環(huán)境的污染,影響著生產(chǎn)裝置的正常運(yùn)行和工廠的經(jīng)濟(jì)效益,已成為生產(chǎn)中不可忽視的問題。了解冷卻器可能產(chǎn)生泄漏的部位和產(chǎn)生泄漏的普遍原因,并從設(shè)計(jì)、制造、使用三個(gè)環(huán)節(jié)著手加以控制,就能大大降低冷卻器的泄漏率。筆者對(duì)大量不同種類冷卻器的泄漏發(fā)生部位及產(chǎn)生泄漏的原因進(jìn)行分析,并提出相應(yīng)的對(duì)策,為冷卻器的設(shè)計(jì)、制造和使用提供參考。1冷卻器主要泄漏機(jī)理1.1溫差應(yīng)力及熱疲勞
冷卻器在石化行業(yè)中應(yīng)用非常廣泛,蒸汽發(fā)生器、再沸器、鍋爐給水預(yù)熱器等都是典型的換熱設(shè)備。大多數(shù)冷卻器在運(yùn)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(dǎo)致管板兩側(cè)和換熱管之間產(chǎn)生溫差應(yīng)力。當(dāng)溫差應(yīng)力達(dá)到一定數(shù)值時(shí),金屬便會(huì)產(chǎn)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(fù)加壓、升溫和卸壓、降溫的過程,那么熱應(yīng)力反復(fù)變化會(huì)使設(shè)備產(chǎn)生熱疲勞。調(diào)查發(fā)現(xiàn),很多煉油廠的蒸汽發(fā)生器都是由于這種原因而泄漏失效的。1.2管束振動(dòng)
介質(zhì)垂直于管束橫向流動(dòng)是流體誘發(fā)振動(dòng)的主要根源,如果流入殼程的是氣體,在與流動(dòng)方向及管子軸線都垂直的方向上將形成聲學(xué)駐波。當(dāng)聲學(xué)駐波的頻率與卡曼旋渦頻率和紊流抖振主頻率一致時(shí),還會(huì)激發(fā)產(chǎn)生聲學(xué)駐波振動(dòng)。在操作過程中,管束振動(dòng)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(kuò)大或擴(kuò)展,發(fā)展到一定程度時(shí)這些缺陷就會(huì)被擊穿或?qū)е缕陂_裂。振動(dòng)與冷卻器管子的固有頻率有關(guān),而固有頻率與管束的結(jié)構(gòu)、尺寸有關(guān),因此冷卻器本身的設(shè)計(jì)缺陷是導(dǎo)致管束振動(dòng)的原因。本次調(diào)查分析的多臺(tái)再沸器[2,3],其殼程走中、高壓蒸汽,管程走液體,都是在運(yùn)行不久后就產(chǎn)生泄漏,修復(fù)后又規(guī)律性地隔三個(gè)月就漏。起初考慮了溫差應(yīng)力,但重新設(shè)計(jì)制造的再沸器加了膨脹節(jié)后,情況仍未改善。而揚(yáng)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(chǎn)多年來沒有出現(xiàn)過泄漏,這說明中、高壓蒸汽壓力高、流速大,設(shè)計(jì)方面的缺陷引起的誘導(dǎo)振動(dòng)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(zhì)量是冷卻器制造上的關(guān)鍵。冷卻器管子與管板焊接時(shí)[4],在焊縫兩側(cè)形成熱影響區(qū),這是焊接接頭的薄弱部位,容易產(chǎn)生殘余變形和殘余應(yīng)力,即容易形成應(yīng)力腐蝕的基本條件。若遇到腐蝕環(huán)境的影響,例如在H2S、OH-等環(huán)境中(奧氏體不銹鋼在Cl-、OH-等環(huán)境中),就會(huì)發(fā)生應(yīng)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(dòng)液體,與縫隙外液體形成濃差電池,引起縫隙腐蝕,也會(huì)造成換熱管接頭處泄漏。管子與管板焊接結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)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(dāng),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(yùn)行過程中這些缺陷受到交變應(yīng)力的影響便會(huì)擴(kuò)展,使泄漏通道擴(kuò)大,導(dǎo)致泄漏。這已成為冷卻器失效的普遍原因。
采用強(qiáng)度脹接的冷卻器在脹接時(shí),管板與換熱管應(yīng)有適當(dāng)?shù)挠捕炔?否則管子回彈大于管板,造成脹接不緊。另外,當(dāng)管子外徑與管板管孔之間的間隙較大時(shí),要達(dá)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(shí),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(dǎo)致脹接更加不緊]。1.4操作因素
冷卻器在運(yùn)行過程中,由于生產(chǎn)工藝本身的特點(diǎn)或者由于工藝操作不規(guī)范導(dǎo)致介質(zhì)壓力不穩(wěn),溫度驟變引起沖擊熱應(yīng)力。這種操作壓力和溫度的瞬間波動(dòng)將導(dǎo)致管板法蘭密封面上墊片的壓緊力發(fā)生變化,反復(fù)循環(huán),致使法蘭螺栓松動(dòng),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(fā)生脆斷[6]。2冷卻器發(fā)生泄漏的位置及原因分析
綜上所述,導(dǎo)致冷卻器發(fā)生泄漏的原因可能在設(shè)計(jì)、制造和使用三個(gè)環(huán)節(jié)中的某個(gè)環(huán)節(jié),也可能是二個(gè)或三個(gè)環(huán)節(jié)共同作用的結(jié)果。通過對(duì)大量冷卻器的分析,現(xiàn)將泄漏產(chǎn)生的位置及其產(chǎn)生的原因歸納如表1所示。
3結(jié)論
針對(duì)不同位置由于不同原因造成的泄漏,應(yīng)采用不同的辦法加以解決。設(shè)計(jì)因素引起的失效,往往需要重新進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和改造;制造過程產(chǎn)生的焊接缺陷應(yīng)進(jìn)行修復(fù)改善;操作不當(dāng)則比較容易改進(jìn)。
3.1設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意的問題
(1)介質(zhì)垂直于管束橫向流動(dòng)是流體誘發(fā)振動(dòng)的主要根源,而影響橫流速度的關(guān)鍵因素是殼程進(jìn)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(dá)到防止管束振動(dòng)的目的。用折流桿代替折流板支撐,可以徹底解決流體誘導(dǎo)振動(dòng)問題。
(2)選材時(shí)除了考慮壓力、溫度、介質(zhì)因素外,對(duì)于有溫差的場(chǎng)合,設(shè)備制造用材還應(yīng)注意選擇線膨脹系數(shù)小、熱導(dǎo)率大、塑性好的材料。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)采用溫度補(bǔ)償器,盡量消除和減少應(yīng)力集中部位,使截面圓滑過渡,同時(shí)采取良好的保溫措施,以減小內(nèi)外壁溫差,降低熱應(yīng)力,避免由于熱應(yīng)力過大而使容器產(chǎn)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(chǎn)生誘導(dǎo)振動(dòng),而折流板間距過小,會(huì)使換熱管剛性過大,變形協(xié)調(diào)能力低,產(chǎn)生溫差應(yīng)力。因此可以通過設(shè)計(jì)計(jì)算,在保證不發(fā)生振動(dòng)的前提下選擇較大的間距。3.2制造時(shí)應(yīng)注意的問題
(1)改善焊接工藝,嚴(yán)格清理焊接部位,保證焊接質(zhì)量。加強(qiáng)焊縫強(qiáng)度,加長(zhǎng)換熱管伸出管板的伸長(zhǎng)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(chǎn)生的幾率。避免產(chǎn)生殘余應(yīng)力和應(yīng)力集中。
(2)采用強(qiáng)度焊加貼脹。貼脹可消除管子與管板之間間隙,使振動(dòng)產(chǎn)生的應(yīng)力不直接作用在焊縫上,避免管束振動(dòng)對(duì)管板與管子之間熔敷金屬中存在的缺陷的影響,同時(shí)又能防止間隙腐蝕,大大增加連接處的抗拉脫強(qiáng)度。此外,強(qiáng)度焊加貼脹還具有雙重保險(xiǎn)的作用,如果焊縫被擊穿,有貼脹做后盾,不會(huì)馬上泄漏。
(3)嚴(yán)格控制螺栓預(yù)緊力,給墊片以足夠的預(yù)緊比壓力和壓縮量。避免螺栓預(yù)緊力不夠,或運(yùn)輸、操作中振動(dòng)引起的螺栓松動(dòng),以確保管板法蘭密封面的密封質(zhì)量。3.3操作中應(yīng)注意的問題
工藝操作要平穩(wěn),避免壓力、溫度突然升高和降低,避免管子產(chǎn)生強(qiáng)烈振動(dòng)。
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