脫鹽水再沸器殼體失效原因分析及改造措施

吳保民，王 強，吳保軍

(錦西天然氣化工有限責任公司 遼寧葫蘆島 125001)

錦西天然氣化工有限責任公司現有裝置設計能力為日產1 000 t合成氨、1 760 t尿素。1993年合成氨裝置凈化崗位脫碳系統中投用了脫鹽水再沸器(100E14)，2001年2月該設備的筒節焊縫出現明顯泄漏，經現場檢查，發現其殼側中部一段長1 620 mm的筒節兩端環焊縫及距環焊縫邊緣30～60 mm區域內，先后出現多條平行于焊縫的橫向貫穿裂紋，裂紋呈現軸線撕裂狀。為了避免主裝置停車，只能采用在線貼補的方法暫時將泄漏點蓋住，其間泄漏點附近又產生l條新的裂紋，再次進行貼補。直至2001年6月年度大檢修時，將該設備整體運回制造企業，更換損壞筒節并加裝膨脹節進行徹底修復。

1 原因分析

1.1 工藝條件

來自低溫變換裝置2.85 MPa、230 ℃的工藝氣進入冷凝液再沸器(100E12)，溫度降至158 ℃進入溶液再沸器(100E13)，溫度降至140 ℃進入100E14管側，進一步降溫至104 ℃進入吸收塔入口分離器(100V8)。來自冷凝液水泵(100P23 A/B)的43 ℃脫鹽水經貧液冷卻器(100E15)加熱至73 ℃后進入100E14殼側，進一步加熱至126 ℃后送至除氧器(100V29)。

1.2 設備參數

100E14的結構為固定管板式換熱器，殼體直徑D=1 100 mm，壁厚δ=10 mm，材質為0Cr18Ni9；換熱管規格為Ф 25 mm×2 mm×7 500 mm，材質為0Cr18Ni9，共923根。100E14的設計參數見表1。

表1 100E14的設計參數

1.3 失效分析

脫鹽水再沸器運回制造企業進行修復時，將損壞的筒節用碳弧氣刨方法切割清除，發現中部筒節兩端環焊縫及邊緣出現多條橫向裂紋，裂紋走向平行于環焊縫，分枝較少，屬于奧氏體不銹鋼的應力腐蝕破裂。

在固定管板式換熱器中，由于殼程流體與管程流體之間存在溫差，造成工作狀態時殼體和管束的熱變形量不相同，在使用過程中引起殼體和管束間產生膨脹差[1]。殼體和換熱管通過剛性較高的管板固定在一起，從而使殼體和換熱管受到軸向應力。換熱器在加工制造過程中，殼體的組對與焊接存在殘余應力。設備運行時，承受著設備本身的重力和管道中流體的重力。以上的軸向應力與殘余應力以及設備本身和流體重力等因素的疊加，使殼體所受拉應力超過應力腐蝕裂紋的臨界應力。因此，100E14的2次泄漏，主要是原始設計中換熱器的內部結構存在缺陷，由管程和殼程溫差所產生的軸向應力與外界因素綜合所致。為了降低軸向應力，最初曾考慮調節折流板的間距或增加管板的厚度，這些措施雖然較為經濟，但制造周期長，不利于企業的連續生產，因此最終決定在100E14的殼體上設置波形膨脹節，對管子與殼體的熱膨脹差進行補償，以降低殼體與管子因溫差而引起的軸向載荷[2]。泄漏部位及加裝膨脹節位置見圖1。

圖1 泄漏部位及加裝膨脹節位置

2 改造措施

2.1 理論依據

2.1.1 無膨脹節的固定管板式換熱器軸向溫差應力

固定管板式換熱器的管子與殼體的拉伸與壓縮示意見圖2。

圖2 固定管板式換熱器的管子與殼體的拉伸與壓縮示意

在安裝溫度下，如圖2(a)所示，殼體與管子的有效長度L均為7 500 mm。在操作狀態下，如圖2(b)所示，殼體和管子由于溫度升高自由伸長，且管子的溫度tt高于殼體的溫度ts，勢必產生各自不同的伸長量，管子自由伸長量δt和殼體自由伸長量δs可分別用式(1)、(2)計算：

δt=αt(tt-t0)L

(1)

δs=αs(ts-t0)L

(2)

式中:αt、αs——管子和殼體材料的溫度膨脹系數，℃-1；

t0——安裝時的溫度，℃；

tt、ts——操作狀態下管子溫度和殼體溫度，℃。

但換熱管與殼體是通過管板連成一體的，如圖2(c)所示，管子與殼體的最終伸長量δ必須相等，因此管子受到壓應力作用，殼體受到拉應力作用，此拉、壓應力就是溫差應力。換熱管的膨脹量因受殼體的影響比充分膨脹減少了δt-δ，殼體因受換熱管的影響被拉伸了δ-δs，造成管子和殼體間產生了大小相等、方向相反的軸向溫差應力，用F表示。

由于溫差而使殼體被拉長的總拉伸力應等于所有管子被壓縮的總壓縮力。根據胡克定律可知管子被壓縮的量：

(3)

而殼體被拉伸的量：

(4)

式中：Et、Es——管子和殼體材料的彈性模量，MPa；

At——換熱管總截面面積，mm2；

As——殼壁橫截面面積，mm2。

以上兩式相加消去δ可得：

(5)

將式(1)和式(2)代入式(5)并整理，得管子或殼體的溫差軸向力：

(6)

管子溫差軸向力產生的壓強為：δt=F/At。

殼體溫差軸向力產生的壓強為：δs=F/As。

2.1.2 設置膨脹節的固定管板式換熱器軸向溫差應力[3]

設置膨脹節后，由溫差引起的筒體軸向應力用P表示。

如前所述，管子被壓縮的量：

(7)

殼體在設置膨脹節后，膨脹節使殼體產生了一個δp的伸長量，殼體被拉伸的量：

(8)

以上兩式相加消去δ可得：

(9)

由于δp取決于膨脹節的軸向剛度K和殼體軸向溫差應力P，可知：

δp=P/K

(10)

將式(1)、式(2)和式(10)代入式(9)并整理，得管子或殼體的溫差軸向力：

(11)

管子溫差軸向力產生的壓強為：δt=P/At。

殼體溫差軸向力產生的壓強為：δs=P/As。

比較式(6)與式(11)可知，固定管板式換熱器設置膨脹節后，管子與殼體之間的軸向溫差應力P比F明顯減小。

2.2 實施方案

針對100E14在運行過程中2次出現橫向裂紋的問題，采用更換新筒節的方法修復設備。新筒節用2個半圓筒節包扎的工藝制造，并在下部加裝膨脹節。具體改造方案如下：

(1)在殼體上劃線，將出現裂紋的殼程中部長1 620 mm的筒節用碳弧氣刨方法切割去除，且保證兩切割口間的間距為1 800 mm，再用Ф 180 mm角向磨光機清除筒節上的碳化物，并按焊接工藝要求修磨外坡口，碳弧氣刨和磨削過程中注意保護換熱管。

(2)對兩端管子與管板的角焊縫進行探傷檢查，然后對拆開筒體后露出的列管進行檢查，最后對未發現裂紋的筒體全部進行著色探傷檢查，若發現裂紋，則需進行清除、補焊。

(3)2個半筒節加工好坡口后，進行兩半圓筒節與再沸器上部殼體的組對以及兩半圓筒節間的組對(利用工裝)，并點焊定位，預留出長226 mm的距離，以利于組對膨脹節。

(4)將膨脹節從縱向中心處用銑床割為兩半，加工坡口后，把膨脹節用點固工裝組對到筒節上，保證補償器的安裝部位在支座與殼側入口之間。

(5)以上各處焊接需保證對接焊縫的間隙為2～3 mm，對口錯邊量≤2 mm，定位焊采用手工鎢極氬弧焊。

(6)焊接采用手工鎢極氬弧焊打底，電弧焊填充并蓋面，先焊2道縱焊縫，再焊2道環焊縫，焊絲采用H0Cr21Ni10，焊條采用A102。焊接時嚴格執行焊接工藝規范，保證全焊透結構。

(7)焊縫表面質量檢查：錯邊量不大于2 mm，棱角度不大于2.8 mm，加強高2～3 mm為宜；著色探傷檢查。

(8)參照行業標準《承壓設備無損檢測 第3部分：超聲檢測》(JB/T 4730.3—2016)對焊縫進行20%超聲波探傷，Ⅱ級合格。

(9)焊縫經檢查合格后，以1.375 MPa(表壓)進行水壓試驗。

在改造過程中，還要注意膨脹節在換熱器中的安裝位置[4]。膨脹節應避開筒體內折流板安裝，若折流板與膨脹節的位置重疊，一部分流體就會直接從膨脹節中流出，造成換熱效率的降低。特別是立式換熱器，還需考慮支座及梁的位置[5]，若膨脹節安裝在支座上面，既會承受由換熱器的自重而產生的軸向附加載荷，也會使支座下移，降低換熱器的穩定性，因此膨脹節應設置在支座的下面，盡可能置于換熱器的重心之下。

3 經濟效益

(1)停車檢修帶來的經濟損失

停車檢修100E14所需時間見表2，造成了一定的經濟損失。

表2 停車檢修100E14所需時間

損失的氨產量：1 000×84÷24=3 500(t)。

折算為損失的尿素產量(每噸尿素氨耗為0.572 t)：3 500÷0.572=6 118.88(t)。

噸尿素按1 500元計，則損失產值：6 118.88×1 500÷10 000=917.83(萬元)。

(2)資金及工期

固定管板式換熱器改造后節約了資金，節省了工期，數據見表3。

表3 設備整體采購與加工維修所需費用及工期

由表3可知，只更換100E14的筒節而不進行整體更換，不僅節約了加工制造費用，而且縮短了工期。

4 結語

100E14的改造只對筒節進行了更換，投資少、工期短、見效快，解決了腐蝕泄漏問題，使設備的運行周期大大延長，為裝置的安全、穩定、長周期運行創造了條件。改造后的再沸器運行至今近20年未發生泄漏，完全滿足生產的需要，表明固定管板式換熱器增加膨脹節的修復方案可行。本次對換熱器殼體的成功處理，也為今后類似容器的故障處理提供了一種新的思路。