淺談?chuàng)Q熱器管束的完整性管理

李志峰，吳建平，王曉博

（1.中國特種設(shè)備檢測研究院，北京 100013；2.中韓（武漢）石油化工有限公司，湖北 武漢 430000）

在過程裝置中，換熱裝備是必不可少的。管殼式換熱器作為裝置中主要使用的換熱裝備，被成功應(yīng)用于各種化工裝置。管束是管殼式換熱器的重要組成部分，因其壁厚較薄，在介質(zhì)中有腐蝕性雜質(zhì)或存在震動，與折流板剮蹭時很容易就會失效。雖然換熱管的失效并不會直接造成燃燒、爆炸、中毒等重大后果，但也會導(dǎo)致傳熱效率下降、物料相互污染等影響工藝過程和產(chǎn)品安全。而目前的換熱器管束的管理存在以下問題：（1）投用時間較長的換熱器的管束因失效原因可能存在多次更換，失效分析資料和更換資料缺失，這也為統(tǒng)計管束的壽命、分析管束的失效原因帶來了更多的不確定因素；（2）停車時的管束檢測的范圍、比例、方法的確定一般是由設(shè)備管理人員根據(jù)經(jīng)驗確定，這也導(dǎo)致了不同的設(shè)備管理人員制定的管束的檢驗計劃不同，部分檢驗計劃并不能夠達到有效發(fā)現(xiàn)管束缺陷的作用，乃至造成過度檢驗；（3）管束的相關(guān)修理工作方案和現(xiàn)場實施都是由返修單位操作，設(shè)備管理人員能否提出必要的技術(shù)要求也僅取決于經(jīng)驗。結(jié)合以上問題，換熱器管束完整性管理是很有必要的，對工廠整個設(shè)備完整性體系來說也是一個重要的補充。換熱器管束的完整性管理包括原始資料管理、損傷分析、檢驗計劃制定、維修時的注意事項等內(nèi)容。

1 原始資料管理

設(shè)備管理人員在換熱器的全壽命階段應(yīng)保證管束資料的完整，尤其需要保存管束更換、堵管等與管束檢修相關(guān)的資料。一般情況下，管束的原始資料應(yīng)包括以下內(nèi)容：（1）換熱器類型；（2）換熱管材質(zhì)；（3）檢測、維修和更換記錄，包括維修、更換的位置、數(shù)量和更換次數(shù)；（4）內(nèi)外部介質(zhì)成分；（5）運行條件，其中包括正常工況下的設(shè)備運行參數(shù)和非正常工況下設(shè)備運行參數(shù)；（6）安全與檢測系統(tǒng)。

在收集整理資料的過程中，相關(guān)設(shè)備管理人員應(yīng)考慮過期圖紙及文件、書寫錯誤等對數(shù)據(jù)質(zhì)量的影響。

2 損傷分析

多個文獻都對換熱器管束的損傷和失效進行了原因分析，綜合可以分為內(nèi)外部壁厚減薄、開裂、材質(zhì)劣化、機械損傷等。

減薄包括均勻腐蝕、局部腐蝕、坑蝕和點蝕等。影響減薄的因素有換熱管公稱壁厚、使用年限、腐蝕速率、工作溫度和工作壓力、材質(zhì)適應(yīng)性。

環(huán)境開裂包括堿應(yīng)力腐蝕開裂、胺應(yīng)力腐蝕開裂、硫化物應(yīng)力腐蝕開裂、碳酸鹽應(yīng)力腐蝕開裂、連多硫酸應(yīng)力腐蝕開裂、氯化物應(yīng)力腐蝕開裂、氫致開裂等。影響開裂敏感性的因素包括材料類型、機械性能及敏感性、工作溫度和工作壓力、關(guān)鍵工藝腐蝕物的濃度、焊后熱處理等。

材質(zhì)劣化包括球化、石墨化、脫碳、回火脆化、敏化-晶間腐蝕等。影響材質(zhì)劣化的主要因素是溫度：球化、石墨化是由于使用溫度高而導(dǎo)致的，敏化可能是由于在制造或返修時造成的。部分換熱管材質(zhì)劣化是由溫度和介質(zhì)共同作用的，像脫碳。

機械損傷包括熱疲勞、振動疲勞、機械磨損、沖刷、汽蝕、熱沖擊等。影響機械損傷的主要因素比較復(fù)雜，幾乎每種損傷模式都不同。

典型的發(fā)生損傷的情況如下：（1）在換熱器管束里，可能由于紊流產(chǎn)生振動，造成換熱管的振動疲勞，在振動或者熱分配不均勻?qū)е聯(lián)Q熱管與其相鄰管子或折流板接觸摩擦，導(dǎo)致機械磨損。（2）在蒸汽過熱器或再熱器換熱管之間的剛性連接件由于循環(huán)溫差的存在會造成熱疲勞和熱沖擊。（3）在換熱器殼程入口處如果未設(shè)置防沖板，殼程介質(zhì)可能會對入口處的換熱管外表面造成沖刷減薄。（4）在換熱管中或殼程內(nèi)，液體汽化產(chǎn)生的氣體或液態(tài)介質(zhì)中夾帶的氣體會形成微小氣泡后瞬間破滅，對換熱管內(nèi)外局部區(qū)域形成沖擊力，造成汽蝕。（5）在管板連接位置的縫隙內(nèi)發(fā)生縫隙腐蝕，導(dǎo)致管道泄漏。

復(fù)合型損傷模式，包括高溫氫腐蝕、沖蝕、蒸汽阻滯、低溫脆斷、微動腐蝕。典型的發(fā)生損傷的工況如下：（1）高溫氫腐蝕可能發(fā)生在乙烯裂解裝置中進出料熱交換器管程。（2）輸送流動腐蝕性介質(zhì)的換熱器管束中都可能發(fā)生沖蝕。（3）在蒸汽發(fā)生裝置中，廢熱鍋爐的蒸汽側(cè)會發(fā)生蒸汽阻滯。（4）裝置開停車期間，低溫設(shè)備可能發(fā)生低溫脆斷。（5）微動腐蝕發(fā)生在熱交換器管束和折流板接觸部位、折流板和殼體接觸部位、攪拌軸和接管接觸部位。

對已失效的管束應(yīng)分析失效原因，使用人員應(yīng)該經(jīng)過客觀分析后編制失效分析報告，積累失效數(shù)據(jù)，為以后的管束設(shè)計、選材和使用提供技術(shù)參考依據(jù)。

3 風(fēng)險分析與檢驗計劃制定

為了科學(xué)確定管束的檢驗計劃，首先，需要一種定量的分析方法，從設(shè)備使用的安全角度分析全裝置或全廠的管束風(fēng)險，在確定其風(fēng)險水平的基礎(chǔ)上，根據(jù)風(fēng)險水平和風(fēng)險可接受水平的高低制定相應(yīng)的檢驗計劃，本文采用的是基于風(fēng)險的檢驗（RBI）技術(shù)。

3.1 風(fēng)險分析

在有換熱管失效數(shù)據(jù)積累的情況下，參考GB/T 26610.4附錄L，計算換熱管的失效可能性。在無換熱管失效數(shù)據(jù)積累的情況下，采用文獻[12]的計算方法計算換熱管的失效可能性。

換熱器管束的失效后果分析只考慮經(jīng)濟后果，其中包括因停產(chǎn)造成的損失、環(huán)境影響成本以及與管束的維護和更換相關(guān)的成本（包括購買管束需要的時間、費用和更換時需要花費的工程費用）。在工廠無法準(zhǔn)確得出管束失效造成的經(jīng)濟后果時，可參考GB/T 26610.5附錄C，計算換熱管的失效后果。

風(fēng)險由失效可能性和失效后果決定，是二者的乘積。

工廠在風(fēng)險評估過程中，如果對換熱管失效經(jīng)濟后果的計算不采納，也可按照換熱管的失效可能性等級排序，同樣需要分析重要設(shè)備的失效可能性水平，并提出失效可能性等級接受準(zhǔn)則。由此可以得到管束基于風(fēng)險或基于失效可能性的排序。

3.2 制定停工時檢測計劃

工廠可以根據(jù)裝置的特點，獨立設(shè)置裝置的換熱器管束風(fēng)險可接受準(zhǔn)則。確定可接受風(fēng)險準(zhǔn)則時.可將GB26610.1中的等風(fēng)險原則作為換熱器管束的風(fēng)險可接受準(zhǔn)則。等風(fēng)險原則是對風(fēng)險等級為低或中的換熱器管束采取的風(fēng)險控制方法，要求換熱器管束在下一次檢驗之前風(fēng)險等級不得上升。

根據(jù)各裝置工藝特點和風(fēng)險可接受準(zhǔn)則，以風(fēng)險值為基礎(chǔ)排定順序，確定檢修時間點需要檢測的管束。

本文中給出建議的風(fēng)險、失效可能性和檢測比例的關(guān)系表，見表1。

表1 管束基于風(fēng)險和失效可能性等級的檢測比例的確定

3.3 檢測方法的選取原則

根據(jù)換熱管的損傷分析確定檢驗技術(shù)，一般可選擇的檢驗檢測技術(shù)有：目視檢查、內(nèi)窺鏡檢測、內(nèi)置式旋轉(zhuǎn)超聲檢測系統(tǒng)、DUET檢測和渦流檢測等?？梢愿鶕?jù)換熱器的設(shè)計或風(fēng)險評估檢驗策略中的要求選擇有針對性的方法，也可以多種方法相結(jié)合。

（1）渦流檢測方法。①常規(guī)渦流檢測（ET）通常用于非鐵磁性管子或有略微磁性的管子的檢測。但需要注意，對于U形管束的U形彎曲部分，該方法的靈敏度稍低；②遠場渦流檢測（RFET）通常用于鐵磁性管子的檢測。其靈敏度和準(zhǔn)確度可能低于預(yù)期或要求，且抽查的比例要稍高于其他檢測方法，但它比超聲波方法更快捷；③部分飽和渦流檢測（PSET）可以定位和檢測鐵磁性管子中的裂紋。它可能對外表面裂紋缺陷不敏感。

（2）漏磁檢測。漏磁檢測方法（MFL）可以用來檢測鐵磁材料管子。但對于碳鋼管子，這種方法的靈敏度可能較差，并且可能僅用于評定管子的整體狀況，而無法確定單個缺陷位置。

（3）超聲檢測。用于測量管壁厚度的超聲波檢查系統(tǒng)也可用于管束檢測，主要用于確定管子局部壁厚損失、裂紋等缺陷，或用于驗證其他無損檢測結(jié)果。由于其他NDE方法對碳鋼管子的靈敏度較低，超聲波檢測系統(tǒng)特別適用于碳鋼管子。IRIS是一種內(nèi)部旋轉(zhuǎn)超聲波檢測系統(tǒng)。它可以用于檢測和測量管外金屬損失。它有另外一種檢測方法是利用超聲剪切波（SWIRIS）有效地檢測內(nèi)外表面裂紋。無論是常規(guī)IRIS還是SWIRIS在檢測時，都需要清潔管子。

（4）DUET。DUET方法是將聲脈沖（APR）和超聲脈沖（UPR）相結(jié)合的方法，可以檢測堵塞、穿孔、內(nèi)外壁減薄、內(nèi)外徑軸向和周向裂紋、點蝕等。該技術(shù)主要的優(yōu)點是儀器自帶分析對比計算軟件，可以直觀地給出缺陷信息描述，包括性質(zhì)、大小等；而且該技術(shù)并不要求管子內(nèi)部清潔度，只要求管口處必須清洗干凈即可，檢測效率較高。但通過試管對比驗證試驗，發(fā)現(xiàn)缺陷檢出率較低。

（5）其他檢測方法。其他無損檢測方法。可以考慮使用射線照相（RT）或內(nèi)窺鏡檢測。這些方法可能更適合檢測U形管束的U形彎部分。

一般應(yīng)檢測的部位：①靠近入口接管的前三排和靠近出口接管的最后兩排管子；②管束外圍每隔一根管子抽檢一根；③對于多進程換熱器，抽檢范圍還應(yīng)包括每個進程；④管束中心部位的管子；⑤發(fā)生過失效或嚴重損傷的管子；⑥以前沒有檢測過的部位。如果發(fā)現(xiàn)以上部位有嚴重缺陷，應(yīng)擴檢相應(yīng)區(qū)域。

4 修理計劃制定

4.1 修理范圍的確定

停車前根據(jù)上一運行周期中管束的運行狀態(tài)制定管束的修理和更換計劃，其中也要考慮管束在本次檢驗計劃實施后存在修理或更換的可能性。

4.2 修理方法

（1）修理的常規(guī)方法。換熱管維修的常規(guī)方法有：通過焊接或機械方法進行堵管，部分更換管束或完全更換管束。在選擇使用機械或摩擦配合的錐形堵頭堵管時，工廠應(yīng)考慮由于換熱面積的減少對換熱效率和其他操作性能的影響，特別是對裝置運行或過程安全特別重要的換熱器。

（2）其他防止換熱管腐蝕的方法?？梢圆捎脙?nèi)襯或管套的方式防止管子或管口的腐蝕。內(nèi)襯可以安裝在管子中，以保護損壞區(qū)域或修復(fù)已經(jīng)減薄的管子，通常不用于保護管端；管套可以安裝在管口，用于保護管口腐蝕。采用這兩種方法是要注意內(nèi)襯或管套與管子之間接觸的均勻性，如果安裝質(zhì)量不過關(guān)，后期使用可能發(fā)生縫隙腐蝕；安裝內(nèi)襯或管套之后可能存在附加壓降、傳熱阻力和徑向和軸向熱膨脹差，并導(dǎo)致灌輸內(nèi)的介質(zhì)流量減少。

（3）由管束支撐引起的損傷和失效。如果支撐板與管束發(fā)生剮蹭或造成管子震動，可以考慮增加拉筋的方式消除管束震動，也可以通過調(diào)整管板間距減少或避免剮蹭和管束震動。管束拉筋是插安在管子之間的扁鋼，起到加強筋和/或支撐的作用。拉筋可以對管束起到加固作用，從而達到消除管束振動的目的。如果采用增加拉筋的方法，應(yīng)評估管子材質(zhì)和拉筋材質(zhì)的相容性，同時考慮熱膨脹的影響。

5 現(xiàn)場修理應(yīng)注意事項

5.1 清洗

在實施檢測前，應(yīng)采用高壓水、化學(xué)溶液或噴砂等方法對管子進行清洗。選擇清洗方法時應(yīng)考慮污垢的性質(zhì)，管材類型和管材的耐受性。高壓水清洗壓力通常為70MPa。在有些情況下，可能需要使用超高壓水清洗方法。清洗除垢時，還要考慮水的流速和噴嘴結(jié)構(gòu)等其他必要因素。使用化學(xué)溶液清潔時，應(yīng)確保清洗劑對換熱器的管子或殼體無不良影響。進行噴砂除垢時，不能對管子造成損壞。當(dāng)清洗帶有內(nèi)構(gòu)件的管道時，應(yīng)考慮不能降低管束傳熱能力。

5.2 堵管

現(xiàn)場堵管后應(yīng)統(tǒng)計堵管數(shù)量，累計堵管數(shù)量與堵管時間的關(guān)系。當(dāng)發(fā)生換熱管失效數(shù)量急劇上升時，應(yīng)考慮更換管束。對于有些類型的換熱器，應(yīng)明確因堵管造成的壓降，因為當(dāng)管程壓降達到一定程度時，換熱器便無法正常工作。如果不對換熱器進行修理，就應(yīng)考慮打開旁路以防止折流板發(fā)生失效。

6 結(jié)語

換熱器管束的運行是否穩(wěn)定關(guān)系著化工工藝流程的平穩(wěn)運行。確保管束的完整性是整個化工廠設(shè)備管理人員不能忽視的工作。在整個完整性管理的流程中包括基礎(chǔ)資料的收集整理和歸檔、損傷模式的分析、風(fēng)險的計算和可接受準(zhǔn)則的確定、檢測和修理計劃的確定、現(xiàn)場修理應(yīng)該注意的事項。工廠設(shè)備管理人員首先應(yīng)該實施管束的完整性管理技術(shù)，在經(jīng)過多輪的檢修后將完整性管理理念納入管束管理過程中，控制管束失效概率，達到換熱器安全平穩(wěn)運行的目的。