循環尾氣壓縮機循環冷卻器管束開裂原因分析

馬智超(中海油惠州石化有限公司，廣東 惠州 516086)

0 引言

本公司根據我國管殼式換熱器執行標準開展換熱器設計工作，換熱面積196m2，換熱器結構類型為BEW。其中殼程介質為冷卻水，工作溫度為33/43℃，設計溫度為120℃，工作壓力為0.5MPa，設計壓力為1.0MPa；管程介質為循環尾氣，工作溫度為198/46℃，設計溫度為245℃，工作壓力為0.11MPa，設計壓力為0.5/-0.1MPa。

1 管殼式換熱器簡介

1.1 分類

由于管殼式換熱器其管內和管外存在溫度差，為了防止由于這種溫度差產生的熱應力問題，需要通過一定措施進行補償，一般根據不同的補償措施，管殼式換熱器被分為以下四種。第一，固定管板式換熱器，這種換熱器的管束兩端的管板固定在殼體上，這種結構的換熱器，比較適合殼程無需清洗的換熱，且管內外流體的溫差較小的情況。如果出現內外溫差變大，但是殼程的壓力較低的情況，可以通過安裝彈性補償圈來減小應力。第二，浮頭式換熱器，這種換熱器管束一側的管板可以浮動，并且可以將管束從管殼中拿出以便維護清洗，能夠完全消除換熱器產生的熱應力，但是由于其結構復雜，因此這種換熱器的成本較高。第三，U型管式換熱器，這種換熱器的換熱管均為U形，該換熱器與浮頭式換熱器一樣，能夠完全消除管中的熱應力，優勢是結構相對簡單，缺點是清潔難度較大。第四，渦流熱膜換熱器，這種換熱器使用的是先進的傳熱技術，能夠改變管束中介質的運動狀態，以此提高管束的換熱率，該換熱器的熱效率高達96%。

1.2 選用設計要點

在選用換熱器的時候需要注意以下要點：首先，在確定換熱面積的時候需要結合冷熱流體的流量，出入溫度，以及冷卻水和循環尾氣的比熱容，科學合理的制定換熱面積；其次，要控制好換熱器的壓力，一般壓力范圍在0.01～0.05MPa為好，在壓力環境等安裝情況允許的情況下，建議使用直徑小管體較長的裝置，以此提高換熱管的換熱率；再次，管中介質的流速設置應該參考流體的粘度，對于粘度較大的流體，其速度應該小于0.5～1.0m/s，普通的流體速度應該在0.4～1.0m/s之間，對于容易在管內凝結的流體，其速度應設置在0.8～1.2m/s之間；最后，換熱器的臺數以及處理能力需要能夠滿足換熱站的實際需求[1]。

2 案例概況介紹

2.1 情況介紹

本公司的循環尾氣壓縮機循環冷卻器管束采用的是進口的304材質，后由于管束出現開裂情況，引起泄露，將其升級為316L材質的管束，但是開裂情況并沒有改善，最后升級為雙相不銹鋼S25073換熱管，并將管壁厚度由1mm升級成為2mm，發現管束開裂的問題得以解決。其詳細信息如表1所示。

表1 管束升級情況

2.2 技術要求

在本公司管束更換過程中，應滿足以下要求：第一，管束的制造以及驗收需要根據GB/T 151—2014《熱交換器》進行。第二，S25073換熱管的外徑偏差應在±0.1mm以內，壁厚的偏差應在±0.2mm以內。第三，所有的定距管長度偏差應在-1mm。第四，在管束制造完畢之后，需要進行水壓檢測試驗，試驗的壓力應為1.43MPa，另外，值得注意的是試驗過程中所使用的水，其中氯離子的含量應在25mg/L以下，并在試驗結束之后將管束清理干凈。

2.3 材料性能對比分析

304不銹鋼材料是在工業、家具、食品醫療等行業中被廣泛應用一種材質，其密度為7.93g/cm3，能夠耐受800℃的高溫，抗拉強度為σb(MPa)≥515-1035，硬度：≤201HBW；≤92HRB；≤210HV。316L不銹鋼目前大多數是按照美國標準生產的，為了降低生產成本，一般鋼廠會盡量壓低其中的Ni含量。與304不銹鋼相比，316L不銹鋼具有相對較好的抗點蝕性能，其密度為7.98g/cm3，抗拉強度σb(MPa)：≥480，硬度：≤187HB；≤90HRB；≤200HV，在100℃時其熱導率為15.1W/(m*K)，300℃時熱導率為18.4W/(m*K)，500℃時熱導率為20.94W/(m*K)。S25073 是一種雙相不銹鋼，這種鋼材具有極高的耐腐蝕性能，綜合了樓鐵素體鋼以及奧氏體鋼的優勢，具有較好的耐腐蝕性，與316L相比能夠更好的抵抗氯離子以及鹽酸環境下的腐蝕，并且還有優秀的機械性能，具有良好的耐壓、抗沖擊強度，同時在導熱性方面也有著極大的優勢。抗拉強度：σb≥730MPa；硬度(HV)：290。

通過以上對比分析不難發現，S25073與上述兩種鋼材相比具備更好的硬度、抗拉強度以及耐腐蝕能力。

3 循環冷卻器管束開裂原因分析

3.1 換熱效率降低

經過對冷卻器以及管束的詳細的查驗發現，在換熱器運行的過程中，管束的出口和入口之間產生了較大的溫差，在入口處200℃的殼層管板的位置很容易將冷卻水氣化，進而生成氣體，產生的氣體在殼層中造成氣堵現象，對冷卻器內部的水流運行以及湍流程度造成阻礙，進而影響換熱器運行過程中循環水的換熱，導致換熱效率降低[2]。

3.2 有害離子腐蝕

在發生管束開裂問題之后，本公司第一時間對循環水中的各種離子的含量進行采樣檢測。在檢測后發現，循環水中的氯離子的含量比較高，而不銹鋼材料對于氯離子較為敏感，超量的氯離子會對鋼材產生腐蝕，進而加速冷卻管管束的開裂。而且在管殼式換熱器中，管板脹接觸管束和管板之間存在死角，很容易形成死區，使得大量的氯離子積存在此處，過高含量的氯離子極易腐蝕304以及316L鋼材。其中檢測到的殼層循環水中的氯離子含量如表2所示。

表2 殼層循壞水氯離子含量

而304鋼材的抗腐蝕能力有限，雖然316L鋼材具有一定的抗點蝕性能，在很多鹵素離子環境下都能夠發揮其作用，但是卻不能夠應用在鹽酸環境中，在氯離子達到一定濃度之后，這種鋼材就難以很好的抵御有害離子的腐蝕。S25073鋼材在抗腐蝕方面具備優良的性能，能夠很好的應對氯離子過多的情況。

3.3 熱應力問題

最后一個導致循環冷卻器管束開裂的原因就是，換熱器在運行的過程中，管束的入口溫度過高，而且管程內外存在一定的溫差，各個換熱器中的換熱管之間也有一定的溫差，以及各種器件之間的溫差，產生了較大的溫差應力，當由此產生的熱應力達到鋼材的承受能力時，就會引起鋼材的變形，最終引發冷卻器管束開裂。而原始管束使用的是304和316L鋼材，且管束的壁厚較薄，僅有1mm，加之304和316L兩種不銹鋼材的機械性能遠不如S25073，在熱應力較大的情況下，就會導致管束開裂。而S25073雙相不銹鋼具有較好的抗拉能力以及硬度，能夠很好的抵消掉由于溫度引起的熱應力變化[3]。

4 循環冷卻器管束開裂故障預防措施

4.1 提高換熱效率

一般情況下除了由于換熱器管程內外流體的流動速度導致換熱效率降低之外，還需要注意由結垢引起的換熱率低的問題。在實際的生產過程中，在管束中產生的污垢也會對換熱器的工作效率產生影響，因為附著在管束上的污垢會影響整體的導熱系數，不利于換熱器工作，而其中污垢的形成主要是由一些不溶于水的鹽類以及油污、泥沙等雜質形成。

經上述分析，在提高冷卻器換熱效率方面，可以從以下兩個方面入手：一方面，合理增加介質的流速，在壓降允許以及防止管材侵蝕的情況下，適當加快流速，在設計的過程中還需要結合考慮由于流速增加引起阻力增加的問題，因此需要權衡二者之間的利弊，選擇最佳流速。根據換熱介質的特點以及實際情況，選擇合適的、實用性強的異形管，通過添加肋片或者低翅片等，能夠有效減少管內結垢。另一方面，要重視換熱器的維護，定期對其進行清洗，清除管束當中的雜物、污垢等，減少對于傳熱的影響，一般換熱器有機械、化學等清洗方法，根據實際情況選擇合適的清洗方式。加強對于循環用水的處理，在循環水進入設備之前將其軟化，減少污垢的形成。

4.2 做好防腐措施

腐蝕故障是換熱器運行過程中的常見問題，如果缺少相應的防護管理，那么在管束內一定會發生腐蝕情況，一旦發生腐蝕，將會影響企業的正常生產作業，因此需要加強對于管束的防腐措施，避免類似情況發生，使得企業遭受經濟損失。比較簡單的防護措施就是配置相應的防腐溶液，將其涂刷在熱換器芯部的表面，以此形成保護膜，對管束起到一定的防護作用。事實上，這種方式能夠起到很好的防腐作用，有效延長了管束的使用壽命，目前，由于這種方法經濟方便，在化工企業中已經得到了廣泛的運用。在使用這種方法的同時，需要注意定期對設備進行檢修和維護，加強對保護膜的檢查，如果發現保護膜出現破損情況，一定要及時進行修補。另外，建議使用抗腐蝕性能較強的鋼材，在案例中就是由于使用了S25073雙相鋼材，很好的承受住了循環水中氯離子的腐蝕。

4.3 降低溫差應力

在實際工作的過程中，如果只需要考慮溫差應力產生時管束的承受能力是否足以應對這種情況，那么通過增加管材的厚度是非常直接的提高管材抗應力的方法，例如，在本公司應對冷卻器管束開裂故障時，就采用了此方法，將管束壁厚由原先的16×1mm升級為16×2mm，以此抵抗由溫差產生的應力問題。除了需要考慮這種管束的溫差應力同時，還對管板的機械強度有一定要求時，可以選用有一定彈性的管板，這種管板為圓弧狀，不僅能夠有效應對熱應力產生的壓力，其具有彈性而發生變形的位置還能夠在一定程度上起到吸收熱膨脹值的作用。

另外，還可以通過降低管殼軸向剛度的方式，緩解溫差應力。當管殼產生較大膨脹差值的時候，這種情況下的熱應力就會比較大，可以通過在上面安置膨脹節的方式降低應力，確保管板以及管束之間能夠銜接良好，避免拉脫，而且這種方法經濟便捷。值得注意的是，在安裝膨脹節的過程中，為了使其能夠充分發揮作用，要盡量靠近管板，遠離折流板，而且膨脹節上的波形建議設置在6個以下[4]。

5 結語

綜上所述，循環冷卻器管束在更換了S25073換熱管之后沒有再發生開裂故障，經過對比研究發現管束開裂的原因，因此在之后的運行過程中，應加強對于換熱效率、防腐以及熱應力的設計，采取相應的維護措施。相信通過對循環尾氣壓縮機循環冷卻器管束開裂的原因進行詳細分析之后，管束開裂問題將會得到良好解決。通過以上分析希望能夠為相關從業人員提供參考，幫助各企業降低管束故障發生的概率。