高溫氮氣U形管換熱器運行故障分析及改進措施

朱鋒杰

(中國石化儀征化纖有限責任公司，江蘇儀征 211900)

1 U形管換熱器故障概述

1.1 U形管換熱器故障經過

2012年11月14日，當班人員發現某裝置風機進出口壓力波動，露點異常。經排查發現前置換熱器管程有滲水現象，進一步檢查發現9根換熱管存在泄漏問題，隨即采取了封堵措施。通過查閱檢修記錄，發現2010年大修時有14根換熱管存在泄漏問題，當時采取了封堵措施。(該換熱器換熱管共有265根)這樣封堵的換熱管達到了23根(接近10%)，加之中間隔板變形，系統存在短路現象，從而導致該換熱器換熱效果變差，風機入口氮氣溫度已接近設備聯鎖的上限值，如不能及時解決，有可能出現因風機進氣溫度偏高造成系統聯鎖停車的風險，因此，該設備列管泄漏被列入裝置的重大隱患。

1.2 U形管換熱器的概述

該生產線應用的U形管換熱器是管殼式換熱器的一種，屬石油化工設備，由管箱、殼體及管束等主要部件組成，主要部件均由不銹鋼制造。U形管換熱器僅有一個管板，管子兩端均固定于同一管板上。其特點如下：

(1) 管束可以自由伸縮，不會因管殼之間的溫差而產生熱應力，熱補償性能好；

(2) 管程為雙管程，流程較長，流速較高，傳熱性能較好；

(3) 承壓能力強；

(4) 可用于殼程結垢比較嚴重的場合；

(5) 管束可從殼體內抽出，便于檢修和清洗，且結構簡單，造價便宜。[1]

U形管換熱器同時也存在管內清洗不便，管束中間部分的管子難以更換，又因最內層管子彎曲半徑不能太小，在管板中心部分布管不緊湊，所以管子數不能太多，且管束中心部分存在間隙，使殼程流體易于短路而影響殼程換熱。且U形管的彎管部分曲率不同，管子長度不一，因而流體分布不如固定管板式換熱器均勻；管子因滲漏而只能堵死，這將造成換熱面積的損失。

針對本設備列管泄漏的宏觀分析，該設備管子的U形處沖蝕現象明顯，應是主要的缺陷源。

該換熱器的技術特性表如表1所示。

表1 U形管換熱器技術特性表

2 高溫氮氣U形管換熱器故障分析

2.1 高溫氮氣U形管式換熱器前后工藝流程簡介

現場U形管換熱器管層介質為循環冷卻水，殼層介質為高溫氮氣。系統內280 ℃的氮氣從U形管換熱器的上進口進入殼程，經過與U形換熱管換熱后，從殼程的下出口溢出，出口約40 ℃的氮氣進入羅茨風機。循環冷卻水從U形管換熱器管程的下進口進入，進水溫度約33 ℃，經過U形管式換熱器換熱管與高溫氮氣進行換熱，出口循環冷卻水溫度約38 ℃，如圖1所示。一旦U形管換熱器換熱管發生滲漏及堵塞，將導致羅茨風機氮氣入口溫度接近設備聯鎖的上限值(55 ℃)，就有可能出現因風機進氣溫度偏高造成系統聯鎖停車。

圖1 PID流程圖

2.2 高溫氮氣U形管換熱器運行故障分析

通過對U形管式換熱器幾起泄漏故障的排查和比較，缺陷的主要表現形式有以下共同點：a)換熱管堵塞；b)彎管處換熱管破裂；c)氮氣入口處換熱管破裂。產生的主要原因為：

(1) 循環冷卻水中存在雜質異物：a)因換熱器前未加過濾器，導致循環冷卻水中的雜質(黑色填料等)進入換熱管，在換熱管的彎管處堆積，使得換熱管堵塞，從而使換熱效果越來越差；b)因填料在彎管處的不斷堆積堵塞，使得該局部循環冷卻水因流通不暢加熱汽化，該局部區域氯離子含量增大產生點蝕，而產生的氣體會進一步受熱膨脹，局部會產生較大壓力，使管壁承受較大應力，進而發生應力腐蝕開裂。

(2) 換熱器設計不合理：由于氮氣進出口處溫差較大(從280 ℃降到40 ℃)，氮氣入口處換熱管在高溫氮氣的不斷沖刷下產生交變應力，從而發生疲勞開裂。

3 高溫氮氣U形管換熱器改進措施

針對U型管換熱器換熱管所形成的缺陷，結合U形管換熱器的結構特點，我們在加強運行管理的同時，與原設計制造單位進行溝通和協調，在更新U形管換熱器管束時，對U形管式換熱器結構設計進行了改造。

在話劇《松綁》試演之后，福建省文化廳組織召開第三十二期“火花茶會”。出席會議的有廳領導石建平廳長以及黃葦洲副廳長、林守欽副廳長和趙建宏副巡視員，同時邀請到北京的三位重量級專家，中科院文藝研究所研究員劉平、中國劇協《劇本》原主編溫大勇、中國劇協《劇本》原主編黎繼德，以及省內專家和包括上海人藝導演楊昕巍在內的主創人員。會議由福建省戲劇家協會主席、福建省文化廳藝術處處長吳新斌主持。現將與會者發言予以刊載，以饗讀者。

3.1 生產運行優化

在循環水總管進口增加籃式過濾器，定期清洗濾籃，過濾掉循環水中的雜質，進而減少或杜絕換熱管堵塞，避免因換熱管堵塞，使循環冷卻水局部汽化產生較高壓力的水蒸汽。

在開車運行時，先開通循環冷卻水，使U形管換熱器管束首先充滿循環冷卻水，并確認通暢。

加熱高溫氮氣的過程中，應緩慢加熱，并保證加熱后的氮氣緩慢進入U形管換熱器。

U形管換熱器運行時，工藝生產如需采用通過調節循環冷卻水流量的方式以達到調節U形管換熱器出口氮氣溫度的目的時，應針對換熱器循環冷卻水出水口閥門進行流量調節，嚴禁針對換熱器循環冷卻水進水口閥門進行流量調節。

在停車過程中，先緩慢關閉和停運U形管換熱器進口高溫氮氣，使其U形管換熱器管束各部分溫度趨向與循環冷卻水溫度一致時再關閉U形管換熱器循環冷卻水。

3.2 U形管換熱器結構設計改造

在U形管換熱器氮氣入口部位增加防沖板，既能減輕高溫氮氣對彎管的沖刷，又能相應增加有效換熱停留時間，從而改善換熱效果。如圖2所示。

圖2 殼層入口加防沖板示意圖1):定距管；2):滑板；3):定距管；4):拉桿；5):螺母；6):拉桿；7):防沖板；8):拉筋

表2 U形管換熱器換熱管分布數量及長度

通過計算換熱管總長度，新增加8根換熱管，合理布局排列，既達到了避開殘余應力較大區域，又保證了換熱面積。計算過程如下：

U形管總數：n1=6+9+14+17+18+19+20+21+20+23+24+25+24+25=265

左移200 mm后相當于減少的換熱管總長：L1=265×2×0.2=106 m

通過合理排列增加8根換熱管后的增加總長(即第1層增加2根；第2層增加2根；第7層增加2根；第8層增加2根)：

L2=(13.975+13.889+13.309+12.973)×2=108.292 m>L1，符合要求，新增加8根換熱管可以滿足換熱面積的要求。

4 結 論

自2013年年初對第一臺換熱器更新改造以來，所涉及裝置系統運行良好，根據我們對其運行狀況進行的8年多的跟蹤結果，說明改進措施達到了預期的目的和效果。