換熱器在石油、化工中應用及維護

【摘 要】在石油化工生產中，由于工藝的需要，在流程中往往存在著各種不同的換熱過程，換熱器就是用來進行熱傳遞過程的設備。它可以使熱量從溫度較高的流體傳遞給溫度較低的流體，以滿足工藝的需要。換熱器的穩定運行在工藝生產中起著相當重要的作用，一旦泄漏會嚴重影響工藝生產，造成兩種流體混合，導致不安全因素的產生。本文主要探討煉油化工設備換熱器的安穩、長周期運行問題。

【關鍵詞】換熱器在石油；化工中應用的種類；泄漏及清洗

為了適用于不同介質、不同工況、不同溫度、不同壓力的換熱器，結構型式也不同，換熱器的具體分類如下：

1 換熱器按傳熱原理分類

（1）表面式換熱器，表面式換熱器是溫度不同的兩種流體在被壁面分開的空間里流動，通過壁面的導熱和流體在壁表面對流，兩種流體之間進行換熱。表面式換熱器有管殼式、套管式和其他型式的換熱器。

（2）蓄熱式換熱器，蓄熱式換熱器通過固體物質構成的蓄熱體，把熱量從高溫流體傳遞給低溫流體，熱介質先通過加熱固體物質達到一定溫度后，冷介質再通過固體物質被加熱，使之達到熱量傳遞的目的。蓄熱式換熱器有旋轉式、閥門切換式等。

（3）流體連接間接式換熱器，流體連接間接式換熱器，是把兩個表面式換熱器由在其中循環的熱載體連接起來的換熱器，熱載體在高溫流體換熱器和低溫流體之間循環，在高溫流體接受熱量，把熱量釋放給低溫流體。

（4）直接接觸式換熱器，直接接觸式換熱器是兩種流體直接接觸進行換熱的設備，例如冷水塔、氣體冷凝器等。

2 換熱器按用途分類

（1）加熱器，加熱器是把流體加熱到必要的溫度，但加熱流體沒有發生相的變化。

（2）預熱器，預熱器預先加熱流體，為工序操作提供標準的工藝參數。

（3）過熱器，過熱器用于把流體（工藝氣或蒸汽）加熱到過熱狀態。

（4）蒸發器，蒸發器用于加熱流體，達到沸點以上溫度，使其流體蒸發，一般有相的變化。

3 按換熱器的結構分類

可分為：浮頭式換熱器、固定管板式換熱器、U形管板換熱器、板式換熱器等。

3.1 注意事項

（1）保持管網的清潔，無論是在工作前還是工作完成后，我們都必須對管網中進行清潔處理，這樣做的目的是為了避免發生換熱器堵塞的現象。還要注意及時對除污器以及過濾器的清洗，讓整個工作順利完成。

（2）嚴重把關軟化水，對于任何一種水質把關，這一點是相當重要，在進行對軟化水水質處理的前提下，首先要認真檢查系統中的水和軟化罐水質問題，如果確定合格就可以進行注入處理。

（3）新系統檢驗，對于一些新系統來說，不能馬上與換熱器進行交替使用，首先需把新的系統在指定的時間段運行，讓它有了一個運行模式后，此時方可以把換熱器并入系統中使用，這樣做的目的完全是為了避免管網中的雜質破壞換熱器設備。

換熱器隨著經濟的發展，各種不同型式和種類的換熱器發展很快，新結構、新材料的換熱器不斷涌現。為了適應發展的需要，中國對某些種類的換熱器已經建立了標準，形成了系列。完善的換熱器在設計或選型時應滿足以下基本要求：

（1）合理地實現所規定的工藝條件；

（2）結構安全可靠；

（3）便于制造、安裝、操作和維修；

（4）經濟上合理。

目前我們石油、化工行業用的最多的是：浮頭式換熱器，浮頭式換熱器的一端管板與殼體固定，而另一端的管板可在殼體內自由浮動，殼體和管束對膨脹是自由的，故當兩種介質的溫差較大時，管束和殼體之間不產生溫差應力。浮頭端設計成可拆結構，使管束能容易的插入或抽出殼體（也可設計成不可拆的）。這樣為檢修、清洗提供了方便。但該換熱器結構較復雜，而且浮動端小蓋在操作時無法知道泄露情況。因此在安裝時要特別注意其密封。

浮頭換熱器的浮頭部分結構，按不同的要求可設計成各種形式，除必須考慮管束能在設備內自由移動外，還必須考慮到浮頭部分的檢修、安裝和清洗的方便。

浮頭式換熱器結構如下：

1.殼蓋；2.固定管板；3.隔板；4.浮頭鉤圈法蘭5.浮動管板6.浮頭蓋

鉤圈對保證浮頭端的密封、防止介質間的串漏起著重要作用。隨著浮頭式換熱器的設計、制造技術的發展，以及長期以來使用經驗的積累，鉤圈的結構形式也得到了不段的改進和完善。鉤圈一般都為對開式結構，要求密封可靠，結構簡單、緊湊、便于制造和拆裝方便。

浮頭式換熱器以其高度的可靠性和廣泛的適應性，在長期使用過程中積累了豐富的經驗。盡管受到不斷涌現的新型換熱器的挑戰，但反過來也不斷促進了自身的發展。故迄今為止在各種換熱器中扔占主導地位。

3.2 泄漏

目前，雖然換熱器得到了廣泛的應用，但是由于各種原因產生的換熱器泄漏，也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。了解換熱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，就能大大降低換熱器的泄漏率。通過對大量不同種類換熱器的泄漏發生部位及產生泄漏的原因進行分析，并做出相應的對策，為換熱器的設計、制造和使用提供參考。

（1）制造過程中的缺陷 ，焊接質量是換熱器制造上的關鍵。換熱器管子與管板焊接時，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，造成換熱器管接頭處泄漏。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。這已成為換熱器失效的普遍原因。

（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。振動與換熱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，因此換熱器本身的設計缺陷是導致管束振動的原因。 采用強度脹接的換熱器在脹接時，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。

（3）溫差應力及熱疲勞 ，換熱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。大多數換熱器在運行過程中，管殼程流體之間都存在著一定的溫差，多管程的換熱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。如果換熱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，很多煉油部門的蒸汽發生器都是由于這種原因而泄漏失效的。

（4）操作因素，換熱器在運行過程中，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。目前煉油三部油漿蒸汽發生器泄露，除了質量上我們不能做到完全控制，我們在操作上是不是嚴格按照升溫曲線和操作程序來的，投用不到半年，發生大面積泄露，要找原因，防止此類事件再次發生。

綜上所述，導致換熱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，也可能是二個或多個環節共同作用的結果。

3.3 清洗

換熱器運行一段時間或一個周期，就要進行清洗，換熱器循環冷卻水中含有大量的鹽類物質、腐蝕產物和各種微生物，由于未對其進行水處理，換熱器運行一段時間后水側會結有大量的鈣鎂碳酸鹽垢及藻類、微生物淤泥、粘泥等，這些污垢牢固附著于內表面，導致傳熱惡化、循環壓力上升、機組真空度降低，影響機組的運行效率，造成較大的經濟損失。

（1）清洗原理，鈣鎂碳酸鹽水垢易溶于強酸，反應放出二氧化碳氣體，生成易溶于水的物質而達到清洗除垢的目的，其溶解反應方程式為：

↑CaCO3+2H+=Ca2++H2O+CO2，Mg（OH）2+2H+=Mg2++2H2O，在清洗過程中，H+ 會對金屬機體產生腐蝕，并出現氫脆現象，因此清洗劑中要加入相應的緩蝕劑；溶解產生的Fe3+、Cu2+等氧化性離子會造成金屬機體的點蝕、鍍銅等現象，因此清洗液中還需加入掩蔽劑。

（2）換熱器化學清洗、預膜處理，化學清洗流程：試 壓→水沖洗→酸洗除垢→水沖洗→鈍化預膜。試壓的目的是為了在模擬狀態下對清洗系統的泄漏情況進行檢查。 水沖洗，水沖洗的目的是清除設備內松散的污物，當出口處沖洗水目測無大顆粒雜質存在時，水沖洗結束。水沖洗結束后，在清洗槽內循環添加換熱器清洗劑，控制清洗主劑濃度在3～10%、于系統內進行循環清洗去污，清洗時間8 ～12小時，定時取樣分析清洗主劑的濃度，當其濃度在2 小時內趨于穩定值且清洗系統內沒有氣體放出時，結束酸洗過程。清洗工序完成后，進行水沖洗。開啟系統的循環泵用工業水置換排出廢酸溶液，沖洗殘留淤泥及殘渣，同時在排污池中用NaOH對廢液進行中和處理（pH值5～9）。當出口處目測雜質不多時、且pH值大于5時結束水沖洗。鈍化處理，水沖洗合格后，循環添加2-3%（重量）的換熱器鈍化劑進行化學預膜處理，來提高管束的耐腐蝕性能。待整個系統溶液濃度混合均勻后停止循環，浸泡8～10小時。然后將鈍化液排放用鹽酸中和（pH值5～9），清洗過程結束。

（3）清洗效果 清洗結束后，從清洗槽中取出監視管觀察，管內、外表面應潔凈，無殘留污垢、無點蝕、無脫鋅腐蝕等現象，目測除垢率應為100%；

整個清洗過程完成后，打開換熱器觀察，被清洗的管束表面應清潔、污垢無殘留，設備洗凈率應≥98%，化學清洗后，換熱器的管線幾乎沒有發生泄漏。

（4）廢液處理，上述工程廢液不經處理，不能排放，否則將造成安全隱患，同時造成環境的污染，有害物質的含量要降到最低，各項指標均能達到環保排放指標。

（5）施工注意事項

①施工人員進入現場必須按規定戴好勞保用品，需要穿膠鞋、膠皮手套、口罩及眼罩；

②施工現場要有良好的通風，操作現場要有方便、充足的水源。

③在搬運有腐蝕性的藥品時，應盡量采用叉車等專用搬運工具。嚴禁濺入眼、口、皮膚上。如誤觸，立即用大量清水沖洗，嚴重者，請立即就醫。

④施工藥品應放在陰涼通風處，并做好“危險品勿動”等醒目標記。

石油化工行業離不開換熱器，在操作過程中，嚴格按照操作程序，保證設備長周期安穩運行，不污染環境。

【參考文獻】

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[2]錢頌文，主編.換熱器設計手冊[M].北京：化學工業出版社，2002.8 ISBN 7-5025-3828-3

[3]文聯奎，編.石油化工設備檢修手冊.2版[M].北京：中國石化出版社，2007 ISBN 978-7-80043-222-4.

[責任編輯：曹明明]