凈化洗滌水冷卻器內漏原因分析與優化改造

李劍暉，盧利飛

（神華包頭煤化工有限責任公司，內蒙古包頭 014010）

凈化洗滌水冷卻器內漏原因分析與優化改造

李劍暉，盧利飛

（神華包頭煤化工有限責任公司，內蒙古包頭 014010）

洗滌水冷卻器是將凈化裝置除氧器104 ℃的除氧水，用循環水冷卻至40℃，然后供給其他裝置使用，起著承上啟下的作用，在近今年運行過程中反復出現管束內部泄漏問題，嚴重影響了裝置內部以及上下游裝置的平穩運行。針對此工況進行了相關分析，并提出了一些優化改造的措施。

冷卻器；管束；泄漏；改造

1 洗滌水冷卻器介紹

1.1工藝流程簡介

由公用系統將熱電提供的脫鹽水，先進入凈化裝置脫鹽水加熱器，與變換氣換熱溫度升至90℃后進入除氧器，用0.46 MPa（G）低壓飽和蒸汽加熱脫氧，生產的脫氧水即鍋爐給水經高壓鍋爐給水泵加壓至8.75MPa（G），為凈化裝置洗氨塔提供洗氨水和氣化裝置提供8.7MPa、104℃儀表沖洗水和8.7 MPa、40℃機械密封水。

洗滌水冷卻器就是中間連接各個裝置的樞紐，將凈化除氧器104 ℃除氧水用循環水冷卻至40℃，其中一路供水去向凈化裝置洗氨塔洗滌水，另一路供水去向氣化裝置，供激冷水泵和鎖斗循環泵機封沖洗水用。洗滌水冷卻器設計處理除氧水量為60t/h（凈化洗氨塔30t/h，氣化用水30t/h），除氧水溫度為104℃，經換熱后溫度為32℃。實際運行過程中，除氧水進、出的溫度與設計值一致，但是用水量達到了90t/h（凈化洗氨塔30t/h，氣化裝置用水量60t/h）。

1.2設備參數簡介

表1　設備參數表

2 第一個使用周期的運行記錄以及改進

2.1運行記錄

在2010年5月投用后，2012年7月第一次發現洗滌水冷卻器出現管束內漏情況，由于原始設計中洗滌水冷卻器的除氧水無旁路，所以在處理漏點時必須將供水中斷，為了保障機封沖洗水的供給，臨時配管用多臺柱塞泵供水，接入機封沖洗水總管線。與此同時制定了洗滌水冷卻器管束堵漏方案，帶壓開孔增加洗滌水冷卻器旁路（如圖1），力保在最短時間內恢復供水。之后洗滌水冷卻器運行周期約為兩個月左右就會出現泄漏，已經嚴重影響了換熱器的換熱效果，截止到 2013年6月裝置大檢修，檢修8次共堵管52根。

圖1　新增加旁路

2.2優化改造

2.2.1設備更換

在2013年提前準備了設備更換計劃。利用大檢修的停車時間，對洗滌水冷卻器進行了整體更換

2.2.2優化洗滌水冷卻器的工藝操作

在洗滌水冷卻器投用時候嚴格按照介質的投用先后順序，先投與常溫接近的介質，這樣能保證洗滌水冷卻器材質的脹或縮不會太大，保持設備的穩定性，再投另一介質。對于洗滌水冷卻器的影響最小嚴格控制升壓、升溫速率，保證設備平穩投用到正常工況。

2.2.3項目改造

由于洗滌水冷卻器在之前一直處于超負荷運行狀態，所以在2013年期間對水系統進行了優化改造，此項目成為8.7MPa密封水改造。（見圖2）

原設計是氣化裝置8.7MPa密封沖洗水（8.7MPa、104℃）儀表沖洗水和8.7MPa、40℃機械密封水）采用比較昂貴的脫鹽水，最終排入污水處理裝置，這樣既增加了脫鹽水的浪費，又增加了污水處理的負荷。

凈化裝置項目8.7MPa密封水改造，用甲醇制烯烴裝置的凈化水代替變換脫鹽水作為氣化裝置8.7MPa密封沖洗水，達到減少公司外排廢水量，降低凈化裝置脫鹽水用水量的目的。改造之后來自烯烴的凈化水（0.4MPa、104℃）和變換單元脫鹽水加熱器的脫鹽水（0.4MPa、80℃作為補充水）送至凈化水緩沖罐，利用現有的高壓鍋爐給水泵，將MTO凈化水加壓后，一股直接送氣化作為高壓高溫密封水，一股經洗滌水冷卻器冷卻后送氣化作為高壓低溫密封水。

來自熱電中心的高壓鍋爐水（14.6～16.5MPa、80～159℃）在變換單元減壓后經高壓鍋爐給水冷卻器冷卻后，送至變換洗氨塔作為變換氣洗氨水，改造流程考慮到現有的高壓鍋爐給水泵入口可以使用MTO凈化水和變換除氧器脫鹽水（兩者可以切換），在裝置開車初期或MTO凈化水中斷時，仍可使用變換除氧器的脫鹽水作為氣化密封水和變換氣洗氨水。

由熱電引入一股高壓鍋爐水，專門給凈化裝置洗氨塔提供洗滌水，利用2013年大檢修停車期間，對整個管線進行了配管作業（此項目成為凈化水改造項目）。完成后進行了一系列的氣密、吹掃、置換等檢驗工序。最終在2014年1月開始投用凈化水改造項目，將熱電高壓鍋爐給水切至凈化洗氨塔。2014年5月將高壓鍋爐給水泵入口由除氧器切換至凈化水緩存槽，凈化水緩存槽全部由脫鹽水供給，運行無異常后，投用外來的凈化水，水量為20t/h。之后高壓鍋爐給水泵一直由MTO凈化水緩存槽供給，凈化水間斷投用。

圖2　改造后的新流程

3 第二個使用周期的運行記錄以及分析改進

3.1運行以及檢查記錄

3.1.1投用記錄

在2013年7月投用后，工藝操作條件一直平穩，未有較大的溫度壓力等工況波動。2014年8月新更換的洗滌水冷卻器出現管束內部泄漏，隨即將換熱器切出進行了堵漏處理。一直運行到10月份的大檢修未出現泄漏情況。在后來運行過程中，洗滌水冷卻器出現泄漏，仍然嚴重影響系統的正常運行。3.1.2 大檢修期間檢測記錄

在2014年10月大檢修期間，對洗滌水冷卻器管束進行了渦流檢測，也是對其運行狀態的一個初步了解。

（1）檢查內容：抽檢10%的U型管，142根直管段，共710m。具體位置見圖3。

（2）檢測結果

①抽測列管渦流探傷未見明顯的可記錄缺陷信號。

②渦流探傷信號較為雜亂，抖動干擾信號較大，因此較小體積型缺陷號有可能不易發現。

③所測列管壁厚分布較為分散，在0.95～1.80mm之間；從渦流測厚信號來看。

圖3　渦流測厚具體位置用彩色標識

a）大部分列管均存在不同程度的列管壁厚腐蝕減??；

b）整段列管均存在嚴重程度不一的局部體積型腐蝕缺陷信號；

c）列管不同區域壁厚分布不均。

④所抽測列管中發現1根U型列管壁厚異常，直管段管號為1-8、1-15號列管，壁厚值對應為0.95mm、1.00mm，這根列管的壁厚異常的原因我們分析認為：

a）列管本身壁厚較其他管子??；

b）這根管子的材質及組織狀態與其他列管不同，造成所測數據有一定系統誤差。

⑤列管壁厚減薄區域一般以靠近彎管部位及靠近管口部位為多，也有少數列管的減薄區域在列管的中部（包括擴檢列管情況依相同）。

⑥經過檢查可以初步統計出來，列管平均壁厚為1.5mm左右，減薄量為0.5mm/a

（3）渦流測厚也擁有一定的局限和盲區

①距管口150mm內為遠場渦流檢測探傷盲區。

②管板內為遠場渦流檢測測厚盲區。

③所測列管壁厚值為每根列管最薄截面處各方位的平均值。

3.2泄漏分析

2014年11月，洗滌水冷卻器投用后，運行間隔1-2個月就會出現管束內漏現象，然后每次都要將設備切出進行查漏堵漏，嚴重影響了整個系統的平穩長周期運行。

3.2.1管板外側堵漏位置分析

洗滌水冷卻器是四管程的冷卻器，其管束液體流向是：左上進入→右上出→右下進入→左下出。從上面兩個管板外側圖的對比可以看出，泄漏位置集中在第一管程（左上）和第二管程（右上），在第三管程（右下）和第四管程（左下）基本無泄漏或者少量的泄漏。

從工藝條件上分析，由于介質和壓力都是固定不變的，只有溫度有梯度變化。第一管程、第二管程溫度在80-100℃區域內，第三管程、第四管程溫度在40-60℃區域內，所以其泄漏點集中在80-100℃的高溫區域。

3.2.2管束內部泄漏位置分析

為了分析換熱管的泄漏具體位置，對第一臺換熱器整體殼體進行了拆解。由于管束腐蝕嚴重，需要將管束切割下來分段進行檢測分析。針對換熱器泄漏的位置，主要對管束從上數1-12排進行了切割檢查。

在“U”型彎處外側發現爆管現場，具體位置在第6-13跟、第6-14跟，而且根據測量，爆管處的管壁僅為0.05mm。（如圖6）。

圖4　第一臺泄漏位置統計

圖5　第二臺泄漏位置統計

圖6　“U”型彎處外側爆管

在直管段發現有7根管已經斷裂，管壁厚度還是2mm。有2根管發生撕裂現象，其厚度也是2mm。其發生泄漏位置距離管板100mm以內（見圖7）。

圖7　直管段泄漏位置

3.2.3管束材質分析

（1）分析樣：銹蝕，斷裂的換熱管。

（2）分析方法：在斷口處取樣，樣品經過制備后在光學金相顯微鏡下觀察、照相。

（3）換熱管（材質20#鋼）的成分分析如表2。

表2　換熱管成分分析表

（4）試驗結果

①非金屬夾雜物的級別

依據GB/T10561-2005，《鋼中非金屬夾雜物含量的測定標準評級圖顯微檢驗法》A法評定：A0.5，B0，C0，D1，DS0。

②顯微組織

參照DL/T674-1999《火電廠用20號鋼球化評級標準》評定：

球化級別：4級（中度球化）

③裂紋形態

斷口邊緣可見一條裂紋，裂紋延管壁縱向擴展，內部有氧化

（5）試驗結果分析

①非金屬夾雜物級別屬結構鋼正常含量，材質沒問題。

②中度球化顯微組織說明管子使用溫度高于常溫。由于溫度較高，金屬基體中碳原子擴散速度加快，碳化物逐漸球化、分散，并向晶界聚集，由此導致材料性能趨于劣化。通常，在有溫度和壓力的裝置中，球化級別為4級的鋼管應該進行更換處理。

3.2.4泄漏原因分析

3.2.4.1設計參數與實際運行參數偏差

原設計洗滌水冷卻器共處理60t/h除氧水，實際運行中，處理90t/h除氧水（凈化洗氨塔30t/h，氣化用水量60t/h）。洗滌水冷卻器負荷比設計大50%。在第一臺洗滌水冷卻器使用期間，由于超負荷造成其泄漏，是重要原因之一。第二臺洗滌水冷卻器使用期間，投用了熱電高壓鍋爐給水，洗滌水冷卻器負荷為60t/h，將其工況調整為設計值。

3.2.4.2運行介質發生變化

8.7MPa密封水改造項目投用后，洗滌水冷卻器介質由除氧水變為未經過除氧器僅加熱至90℃左右的脫鹽水和MTO凈化水。換熱介質發生了變化。未經過除氧器除氧的脫鹽水可能會對換熱器的使用壽命有一定影響。

3.2.4.3腐蝕原因

由于管束材質是20#鋼，最容易造成氧腐蝕，第二臺運行介質的變換導致管束內部含氧量增加，進而使得管束內氧腐蝕。而管束外部的循環水，其含氧量更高，所以氧腐蝕會造成很大危害。通過渦流測厚的數據可以看出來，大部分列管均存在不同程度的壁厚腐蝕減薄現象，列管壁厚減薄區域一般以靠近彎管部位及靠近管口部位為多，而且根據測量其腐蝕速率在0.5mm/a，所以在腐蝕上有待進一步解決問題，才能延長其使用壽命

3.2.4.4設備方面原因

冷卻器（146E001）解體后發現解體發現部分換熱管爆管，雖然材質成分滿足要求，但是其管子在成型過程中，可能存在個別換熱管管壁很薄強度不夠，在制造過程中存在了缺陷，進一步導致了嚴重后果。

從U型管斷裂區域來看，在其煨彎過程中有部分管線也出現了缺陷，本來2mm的壁厚在彎曲時，U型位置外側變薄，再加上使用過程中U型彎沖刷比較嚴重，再次變薄，最終導致泄漏。

還有部分管子可能是利舊的管線，因為在分析中有中度球化現象，設備的使用溫度達不到材質球化的結果，所以部分管束有可能存在二次成型的可能性，使其碳原子結構發生變換，最終幾個因素綜合到一起，導致了缺陷的產生，最終影響了設備的使用壽命。

3.2.4.5循環水側原因

由于洗滌水冷卻器在泵房頂上（高于地面13 m），在開車投用循環水期間，對設備預膜時有可能存在不充分的情況，在循環水側還有部分污泥覆蓋了管束，更加無法預膜，進一步產生了垢下腐蝕，產生惡性循環，加速的管束外側的腐蝕。

3.2.4.6綜合因素

根據斷裂的位置以及現象分析，管束受熱膨脹不均勻，而且出現振動，使得管束出現斷裂現象。這也是多重因素導致的結果，因為循環水很臟，覆蓋在管束表面導致無法換熱從而使得管束局部溫度過高。而U型管在受熱后，管束的固定板有松動現象，投用介質時壓力、溫度升速過快，導致管束瞬間斷裂，斷裂時由于水壓過高，形成高壓水沖擊，進一步影響到周圍的管束，產生連鎖效應，所以在換熱器泄漏初期會出現一根管子泄漏，其周圍管子再使用一段時間又出現泄漏。

4 改進措施

根據之前分析結果以及工藝操作的要求，提出了相應的改進措施，首先對洗滌水冷卻器的管束進行整體更換，在更換時要滿足相應的技術要求；其次在管束的外側噴涂防腐涂層，即能達到工藝要求的換熱效果，也能夠保護設備，起到防腐的效果。

4.1管束更換相關要求

首先在設備管束更換過程中，要嚴把質量關，從管束材質到管束更換過程、檢測打壓等需要全程監控，保證檢修質量，這是設備完好的前提。

4.1.1管束材質要求

（1）U型換熱管必須是整根，不允許拼接。全部采用Ⅰ級，外徑偏差為±1%D，壁厚偏差為+15%S-10%S，在使用換熱管之前，應逐根進行渦流探傷和超聲波探傷，進行化學成分分析和力學性能試驗。如果不能進行渦流探傷，則換熱管應逐根進行水壓試驗，水壓試驗的壓力值按規范計算取得，以目測無裂紋、無泄漏、無異常變形為合格。

（2）換熱管穿管時，應采用立裝工藝，盡量使換熱管位于所有折流板及其上下管板的管孔的中心位置。

4.1.2焊接要求

（1）焊條材料應采用與相應母材配套，應選用與焊絲配套的焊劑。焊條應采用低氫型焊條。

（2）為保證換熱管與管板的焊接質量和焊縫高度，減少返修或不返修，應采取全氬弧焊。焊接工藝應按JB4708-2000或GB151-1999附錄B的要求評定合格。

（3）管板與換熱管的連接，除有特殊要求外，一般宜采用GB151《管殼式換熱器》中規定的強度焊+貼脹結構。

（4）為便于后續的換熱管防腐處理，換熱管更換時，要求對折流板管孔部位的毛刺進行清理。

4.1.3檢驗和試驗

（1）焊縫無損探傷要求應符合《固定式壓力容器安全技術監察規程》的規定，探傷標準及方法按圖紙和JB/T4730-2005中有關規定執行。

（2）組裝完成后進行水壓試。無論是管程還是殼程進行水壓試驗時，都要采用干凈的不含任何其他任何有害雜質的軟水進行，試壓用水中的氯離子含量應不超過253×10-6，以防止因為水質造成腐蝕。

（3）水壓試驗后，按HG20584-2011附錄A中B法對殼程進行氨滲漏試驗，檢查管子與管板焊縫的可靠性。

4.2管束外側防腐要求

首先要做好防腐前的準備工作防腐前管束的物理處理應采用手工活機械方法去除焊渣以及一些尖銳菱角，并打磨圓滑。

4.2.1表面處理采用噴砂除銹方式

（1）噴砂除銹等級應達到GB8923-2011中的SA2.5級以上；

（2）噴砂所用空氣應干燥潔凈，砂的硬度和沖韌性不能低于石英砂，噴射距離應在150 mm左右，噴砂角為45°左右；

（3）噴砂處理后的設備，需將灰砂吹干凈，接下來的8-12 h進行第一遍噴涂（相對濕度大于80%，禁止噴砂、噴涂）。

4.2.2噴鍍質量要求

（1）外觀檢查，噴鍍層表面無雜質、翹皮、鼓包、裂紋、大溶滴及脫皮等現場。

（2）厚度檢查用磁性測厚儀進行檢查，任何一點厚度值不應于設計規定的最少厚度值，共涂4遍，底漆2遍，膜厚50～30μ；面漆4遍，漆膜總厚度120±30μ。涂層表面應均勻，涂層不得有滴墜、流掛、毛刺等缺陷。每遍涂層在進爐烘烤時，升溫速度應緩慢、均勻，并嚴格按升溫曲線升溫，嚴禁驟冷驟熱，以免涂層發生龜裂。

（3）孔隙檢查：清除涂層表面油污、塵土進行干燥，有浸有鐵氰化鈉溶液的試紙覆蓋表面5—10 min，試紙藍色斑點不應多于1—3點/cm2。

（4）涂層厚度不得小于120μm，驗收時用涂層測厚儀測定涂層厚度，抽查50個點，如果有5個點厚度少于120μm，則可認定產品質量不合格。

5 結束語

洗滌冷卻器在維修完成后進行了整體更換，在投用階段、運行過程都嚴格防腐設備操作要求進行操作。投用后其換熱效果完全能夠滿足工藝要求，其防腐效果良好，設備運行良好，未出現之前的泄漏情況。

洗滌水冷卻器供水連接上下游裝置，在出現故障的狀況下，不但會造成脫鹽水的浪費，而且對于氣化裝置的機封會造成很大的沖擊，一旦機封大面積受損，勢必造成全系統的停車，其影響的范圍之大可想而知，所以設備的優化改造非常有必要。雖然有一些必要的花費，但是比起停車檢修帶來的巨大的消耗，其費用可以忽略不計。更換設備后，尤其是進行了相應的優化改造后，既保證了設備的完好率，也給整個系統運行帶來可持續而不可計算的隱形利益。

Purification and Leakage of Washing Water Cooler Analysis and Optimization Transformation

Li Jian-hui，Lu Li-fei

Wash water cooler is the purifi cation device deaerator 104 ℃ oxygen scavenging water，circulating water cooling to 40℃，then supply other devices used to play a connecting role in the course of this year，nearly running recurring internal tubes leakage problems，seriously affecting the smooth operation of the internal device and downstream device.For this condition were correlation analysis，and proposed some measures to optimize the transformation.

cooler；bundle；leakage；reconstruction

TQ051.5

A

1003-6490（2016）01-0045-04

2015-12-28

（1985—），男，山東煙臺人，工程師，主要從事設備管理技術工作。