南堡聯合站換熱器泄漏原因研究及對策

申剛 薄會志 陳立濤 胡彩云

摘 要：本文針對冀東油田南堡聯合站換熱器內漏現狀，重點對維溫換熱器、壓縮機后水冷器和脫乙烷塔頂換熱器泄漏問題進行了深入分析，從工作介質、換熱器材質和日常操作等方面找出了產生問題的主要原因，并有針對性的提出了改進措施，取得了良好的效果。

關鍵詞：換熱器；應力；穿孔；腐蝕；改進措施

冀東油田南堡聯合站自2009年投產至今，大型換熱器發生內部泄漏4次，其中維溫換熱器內部管束泄漏1次，壓縮機后水冷器內部管束穿孔2次，脫乙烷塔頂換熱器內部泄漏1次。

1 維溫換熱器內漏問題研究（U形管換熱器）

南堡聯合站維溫換熱器于2009年投入使用，2011年發現內部管束泄漏。其管程運行介質為180℃左右的導熱油，殼程介質為40℃左右含水約20%的原油。維溫換熱器屬于U形管換熱器，其內部結構如圖1所示。

1.1 維溫換熱器管程外壁的腐蝕條件

換熱管冷彎時的熱塑性變形，在U形管彎管處外緣存在著較大的殘余拉應力，同時U形管下直管段及彎管處存在著較大的由于溫差產生的拉應力。

1.2 應力腐蝕開裂

在換熱盤管處于拉應力情況下，又與腐蝕介質Cl-相接觸，經過一段時間后，材料內部的微裂紋在拉應力及腐蝕介質的雙向作用下擴展，并發展到整個斷面從而引起應力腐蝕。應力腐蝕可以將裂縫的發生和發展分為三個階段：金屬表面生產鈍化式保護膜；膜局部破裂，形成蝕孔式裂縫源；裂縫向縱深發展。前兩個階段，腐蝕都是在一個對流不通暢、閉塞的微區內進行，通稱為閉塞電池腐蝕。

2 壓縮機后水冷器內部管束穿孔問題研究（固定管板式換熱器）

壓縮機后水冷器是固定管板式換熱器，由管箱、殼體、管板、管子等零部件組成，其結構較緊湊，管排較多，在相同直徑下換熱面積較大，具體構造見圖4。

2.1 運行介質分析

南堡聯合站壓縮機后水冷器于2011年6月和2013年5月分別發生穿孔泄漏，該換熱器材質為20#低碳鋼。

2.2 硫化氫在潮濕環境下的電離

干燥的硫化氫對金屬材料無腐蝕破壞作用，硫化氫只有溶解在水中才具有腐蝕性。硫化氫易溶于水，一旦溶于水，便立即電離，其水溶液具有酸性。硫化氫在水中的離解反應式為：H2S=H++HS-HS-=H++S2-。

2.3 硫化氫對水冷器管程外壁的腐蝕

在潮濕硫化氫環境下，水冷器管程外壁就會發生如下反應：

以上過程就造成了硫化氫溶液對水冷器管程外壁的腐蝕。

2.4循環水對水冷器管程內壁腐蝕的影響

對南堡聯合站循環水取樣分析可知，循環水中含有較多的K+、Na+、Ca+等陽離子和HCO3-、CO32-等陰離子。正常情況下CaCO3 與Ca（HCO3）2存在著以下動態平衡關系：

CaCO3+CO2+H2O Ca（HCO3）2

在循環水冷卻過程中，容易使二氧化碳散失，因此上述平衡將向生成碳酸鈣的方向移動，而碳酸鈣的溶解度遠遠小于碳酸氫鈣的溶解度。

3 脫乙烷塔頂換熱器穿孔問題研究（板翅式換熱器）

脫乙烷塔頂換熱器屬于板翅式換熱器，其主要由多層通道疊加而成，每層通道中部是翅片、四周是封條、流體的進出口處為導流片，層與層之間是隔板。

3.1 脫乙烷塔頂換熱器泄漏原因分析

一般板翅式換熱器泄漏原因有三方面：焊接質量、各種腐蝕和應力過大造成拉裂。下面對以上三種情況進行分析研究。

（1）經過查找換熱器設計說明書可知換熱器出廠前經過嚴格的試驗未發現異常，且經過前幾年的使用均未發現異常，因此焊接質量問題可以排除。

（2）通過對換熱器管道的研究，未發現明顯的硫化氫或者其它腐蝕現象，因此，腐蝕問題基本可以排除。

（3）按照由國家能源局發布的NB/T47006-2009《鋁制板翅式熱交換器》標準要求：內部熱應力的增加不應超過材料的強度極限，在可接受的限度之內，穩定狀態下的鋁制換熱器通道之間（同一截面）的最大推薦允許溫差為50℃，但在有相變流體以及在瞬間循環的條件下，推薦溫差為20～30℃；同一流體的溫度變化率應小于50℃/h。特別是在裝置啟運程中應當注意，在使用過程中換熱器溫升（或溫降）不能過快，溫度變化應該控制在2℃/分鐘以內，以避免熱應力沖擊破壞換熱器。

4 換熱器泄漏問題解決措施

4.1 維溫換熱器

投運前確保先投運冷介質，后投運熱介質，且投運熱介質過程中注意控制溫升速度，以不超過2℃/分鐘為準。

4.2 壓縮機后水冷器

建議對壓縮機后水冷器更換為耐硫化氫腐蝕的不銹鋼材質。

4.3 脫乙烷塔頂換熱器

2012年底，南堡聯合站對脫乙烷塔頂氣相流程進行改造，將脫乙烷塔氣相進重接觸塔管線上單流閥改為氣動調節閥，通過調節脫乙烷塔頂氣流的流速從而控制重接觸塔頂氣相出冷箱溫度。

5 總結

本文重點闡述了維溫換熱器、壓縮機后水冷器、脫乙烷塔頂換熱器的工作原理并重點分析了其泄漏的原因，針對不同的原因提出了改進措施，并在實踐中檢驗是可行的，希冀能夠對換熱器安全運行有一定的指導作用。

參考文獻

[1] 孫道青，張增芳.換熱器泄漏簡易判斷方法[J].中國海上油氣.2011（01）.