管殼式石墨換熱器管板裂紋修復

(1.湖北省黃麥嶺磷化工有限責任公司，湖北 大悟 432818；2.西北師范大學，甘肅 蘭州 730070)

管殼式換熱器又稱列管式換熱器(按結構分為固定式和浮頭式兩種)[1]，是以封閉在殼體中管束的壁面作為傳熱面的間壁式換熱器。磷化工裝置中磷酸濃縮工段普遍采用管殼式石墨換熱器作為換熱設備(見圖1)，且為關鍵核心工藝設備。換熱器外殼及上下封頭一般使用金屬材料，換熱管及管板采用石墨化材質[2]。但石墨具有易脆裂，抗彎和抗拉強度低的特點，導致該類設備容易損壞，且維修難度大。經過多次反復試驗，筆者將湖北省黃麥嶺磷化工公司(以下簡稱黃麥嶺公司)磷酸濃縮Ⅱ系石墨換熱器石墨管板維修已取得的成功經驗進行歸納和總結，希望能給同行借鑒。

圖1 管殼式石墨換熱器

1 管殼式石墨換熱器操作與使用

管殼式石墨換熱器耐腐蝕性好，具有優越的換熱性能，傳熱面不易結垢，使用相對較低溫度的飽和蒸汽(120 ℃)即可完成對物料的加熱，節能的同時避免了高溫產生的結垢[3]。因其易脆裂，抗彎和抗拉強度低，所以只能用于低壓、承壓能力較好的塊孔狀結構，其工作壓力一般也僅為1.0～1.1 MPa[4]。

石墨換熱器操作和使用中一般要求避免形成水錘沖擊；使用過程中嚴格控制介質的溫度、 壓力， 避免超指標運行， 杜絕快速升降溫、升降壓現象；如石墨換熱設備被冷卻介質為高溫氣體， 則應禁止隨意中斷冷卻介質，更不能讓冷卻介質液位降至石墨件以下；使用過程中，浮動端法蘭緊固力度要適度，確保在設備內殼體與石墨管束間熱脹冷縮時能自由滑動。為此，浮動端盡量采用彈簧螺栓(見圖2)[5]。

圖2 石墨換熱器結構

2 黃麥嶺磷酸濃縮石墨換熱器基本工況

2.1 工藝流程

石墨換熱器一般成本高、體積大，黃麥嶺公司磷酸濃縮工段使用浮頭式石墨換熱器。規格型號為φ1 791 mm×10 515 mm，換熱面積 568.2 m2。換熱管總數量649根，石墨管規格為φ38.1 mm×50.8 mm，由西格里石墨技術(上海)有限公司生產。

來自酸貯槽的26%～28%稀磷酸與低壓蒸汽在石墨換熱器中換熱后，經強制循環泵循環，在濃縮閃蒸室真空條件下蒸發出45%～48%的濃磷酸，并輸送至濃磷酸貯槽貯存。大量水蒸氣與殘余的含氟氣體經大氣冷凝器冷卻后進入循環水系統，不凝性氣體被真空噴射器排入大氣。低壓蒸汽經石墨換熱器換熱后產生部分冷凝水，送往除鹽水站或供反應工序二次利用。

2.2 換熱器規格及主要技術參數

換熱器規格及主要技術參數見表1。

表1 換熱器規格及主要技術參數

注：石墨管導熱系數為0.603 W/(m·℃)；換熱面積為568.2 m2；換熱量為7.18×107kJ/h；外形尺寸為φ1 791 mm×10 515 mm。

3 黃麥嶺石墨換熱器管板裂紋故障修復

3.1 換熱管破裂原因分析及修復

3.1.1換熱管破裂原因

黃麥嶺公司濃縮工段石墨換熱器在使用中曾發生過多次大批量管子破裂現象，經過長期探索和經驗積累，發現產生故障的原因有清理維護不徹底、工藝操作不穩定和安裝不當等方面。

(1)石墨管清理不徹底。濃縮過程中隨著磷酸濃度的逐漸提高，雜質所形成鹽類的溶解度逐漸下降，在石墨換熱器的換熱管道內壁形成鈣鹽、氟鹽類垢層，如果不徹底清理，垢層會越結越厚，而不易清除，換熱效率逐減下降。

(2)陳舊垢層沒有得到徹底清除，導致換熱效率降低。為了保證生產負荷，被迫提高進石墨換熱器殼程中的蒸汽壓力，雖沒有超過額定的殼程壓力，但是當殼程壓力長期超過150 kPa(g)運行時，對石墨管還是會造成一定的機械損傷，導致石墨管破損。

(3)蒸汽帶水嚴重。每次濃縮清理熬煮時間一般為36 h(從停車排酸到出成品酸)，停車時間較長，蒸汽管線內的殘余蒸汽易冷凝成水，且黃麥嶺公司濃縮使用的蒸汽是發電后的低壓蒸汽，汽水混合物量大，在濃縮裝置開車前不徹底排盡蒸汽管道內的殘余冷凝水，汽水混合物會進入石墨換熱器，產生汽水沸騰現象，影響石墨換熱器的安全運行。

(4)旁路及主路升溫速率過快。操作規程要求暖管時間大于或等于30 min，主路升溫時，升溫速率過快，每小時溫升大于5 ℃，造成石墨管，尤其是管板(上管板厚30 cm，下管板厚40 cm)在升溫過程中溫差過大，石墨管局部受熱不均勻，膨脹量差異較大，也容易造成石墨管及管板的損傷。

(5)蒸汽超溫。蒸汽溫度大于120 ℃，超過了工藝指標要求。

(6)換熱器支座受力不勻或歪斜(超出進出口膨脹節的調節范圍)，石墨構件承受機械擠壓或撞擊。

(7)換熱器浮動端結垢或壓環受力不勻，伸縮受限。

以上7種因素中，前5種情況較普遍，損傷情況也以石墨管損傷較常見。多次的違規操作及不當的維護出現后2種情況，會造成換熱器石墨管板的破裂，當然同時還伴隨石墨管的損傷。

3.1.2換熱管破裂故障的修復

在少數石墨管破裂的情況下可采用石墨堵頭堵管的辦法解決(此方法已在各使用單位普遍應用)，在超過30%的換熱面積后，只有更新設備或更換破損石墨管。 2003年2月，黃麥嶺公司曾出現一次性爆管183根的惡性事故，后經更換換熱管后恢復使用。

3.2 石墨管板產生裂紋的原因分析及修復

石墨換熱器管板屬換熱器關鍵核心部件，直接影響全系統生產，特別是在無備用設備的情況下，修補是維持系統生產的唯一選擇。

石墨管板的裂紋分為橫向裂紋和縱向裂紋，橫向裂紋是指裂紋與換熱管垂直的裂紋，縱向裂紋是指與換熱管同向的裂紋。

3.2.1縱向裂紋產生原因分析及修補

2014年，黃麥嶺公司磷酸濃縮Ⅱ系，石墨換熱器上管板發生縱向裂紋，裂紋在管板外側，從密封面向下長度10 cm，徑向深度8 cm，導致磷酸泄漏。

(1)原因分析。一是管道長期泄漏磷酸淤積在換熱器支座底部，腐蝕支座導致換熱器安裝的支座局部懸空，管板受不均衡外力擠壓；二是低壓蒸汽管道中冷凝液排泄不暢，在蒸汽壓力波動時出現異常沖擊，石墨換熱器運行過程中晃動頻繁。

(2)修補方案。經與廠家反復溝通，因裂紋徑向深度只有8 cm，未貫通至換熱管，只保證上密封面無泄漏即可。我們確定了鉆孔修復方案，修補分2次進行。第1次：①在管板裂紋處隔離出相對封閉環境；②冷凝水徹底清洗，丙酮清洗，電吹風烘干；③沿外壁裂紋均勻劃線確定鉆孔中心點，孔外圓距上密封面6 mm，孔間距26 mm，勻速鉆孔，鉆孔直徑16 mm，深度40 mm(見圖3)；④清理孔中石墨粉，用丙酮清洗，電吹風烘干0.5～1 h；⑤注入石墨酚醛粘接劑，壓入準備好的φ15.5×35石墨棒；⑥清理表面殘余，對修復部位用1 000 W碘鎢燈保溫6～8 h，保證粘接劑充分固化；⑦打磨機磨平修補部位。第2次：①進行第2次鉆孔，孔中心點定于第1次相鄰兩孔連線的中點處，間距26 mm，重復③～⑦工序(見圖3)；②密封面裂縫采用角磨機沿裂縫打磨出面寬6 mm的V形槽，充填粘接劑，充分固化后，打磨平整；③丙酮清洗檢查，眼觀無裂紋，試壓無滲漏即可。此次修補后運行至今未出現反復。

圖3 裂紋修復鉆孔示意

3.2.2橫向裂紋產生原因分析及修補

2015年，該石墨換熱器下管板發生橫向裂紋，裂紋在管板外側，環向長度120 cm，最深處深度約30 cm，導致磷酸泄漏(見圖4)。

圖4 管板外側環向裂紋

(1) 原因分析。一是石墨換熱器頂部封頭長期泄漏，泄漏的磷酸沿殼體不僅腐蝕了換熱器浮動端連接螺栓、換熱器管板與填料壓環，還在管板外表面形成垢層，影響換熱器自由伸縮；二是壓環內表面腐蝕不均勻，局部受力，填料受力不勻。為減小泄漏量，局部螺栓受力過大，在長期沖擊載荷作用下，造成管板橫向裂紋產生。

(2)修補方案。首先排凈設備中液體，清水沖洗后對殼程進行水壓試漏，找出破損之管道(15根)，充分烘干后，采用常規方法封堵上端石墨管，下管板則采取深度封堵，即封堵位置推進到橫向裂紋以上30～40 mm處，封堵材料不變(φ36×40石墨棒)；然后經二次試漏，確認管裂紋泄漏被消除；最后按處理縱向裂紋相同方法沿裂紋鉆孔修補。此次修補后運行至今未出現反復。

(3)修補用石墨酚醛粘接劑的配方。 修補時石墨酚醛粘接劑的配方：酚醛樹脂(2130#，黏度4#杯：1 000～2 000 s)1 000 g左右，石墨粉700 g左右，苯磺酰氯(粒度<120目，含量>92%)25～80 mL。需要注意：①石墨粉加入量視樹脂黏度可增減；②苯磺酰氯加入量視氣溫調整，氣溫高時少加；③先將苯磺酰氯與樹脂拌勻后加石墨粉拌勻；④膠結面應無油、無粉塵、干燥。

(4)石墨管板修補應注意的問題：①裂紋部位的清洗要徹底；②裂紋中水分要烘干；③鉆孔力度要合適，避免不均衡沖擊；④粘接劑流動性要適度。

4 結語

管殼式石墨換熱器必須嚴格按操作規程操作(控制溫度、壓力及稀磷酸流量)及按周期徹底清理，及時排除受力不勻和腐蝕設備部件，才可確保石墨換熱器連續、均衡、穩定及長周期運行。從以上維修實例來看，只是實現了使用要求，并不能恢復設備原有性能技術要求，修復不僅費力費時，而且修復后的設備部件強度相比原件明顯變低(只對表層40 mm進行了修補，內部裂紋依然存在)，對異常條件的適應性更差，若管板再出現損壞，修復質量的可控性更低，此時，生產單位要做好更換石墨換熱器的準備。