磨煤機潤滑油站管殼式換熱器泄漏分析

董吉柱

深能合和電力(河源)有限公司 廣東河源 517000

1 現場情況

廣東河源電廠一期工程2×600 MW超臨界燃煤機組分別于2008年、2009年投產,每臺機組配置了六臺HP1003型中速碗式磨煤機,在鍋爐最大連續蒸發量的工況下五臺運行,一臺備用。每臺磨煤機均配備一臺潤滑油站,每臺潤滑油站使用ISO VG320全合成潤滑油約1 456 L,現價折合人民幣約13萬元。現已有兩臺磨煤機潤滑油站使用的管殼式換熱器發生穿孔泄漏,致使潤滑油站潤滑油進水污染,被水污染的潤滑油雖然使用真空濾油機過濾后,油內水份含量可達到標準值,但該潤滑油在使用過程中頻繁發生冒泡現象,不僅污染現場環境,而且極易造成火災隱患,并且汽泡進入KMP型減速機內會對減速機內部部件造成不可逆的損傷。上述現象的發生不僅大大增加了設備檢修成本,而且嚴重影響了磨煤機運行的穩定性,因此采取有效措施提升磨煤機潤滑油站管殼式換熱器使用的可靠性和耐久性,不僅具有應用的可行性,而且更具有較高的應用價值。

2 換熱器基本情況

廣東河源電廠一期工程磨煤機潤滑油站采用的換熱器為銅質螺紋管式換熱器,此類換熱器為雙管板換熱器,主要由殼體、管束、折流板、管板、封頭等零部件構成,殼體為圓筒形,內部裝有銅質螺紋管束,管束長度方向等距離分布折流板,管束兩端與管板之間為脹接翻邊固定,前后管板分別由殼體通過密封O形圈和密封膠密封。在管殼式換熱器內進行換熱的兩種流體分別為工業冷卻水和潤滑油,工業冷卻水在管內流動,行程稱為管程,潤滑油在管外流動,行程稱為殼程。銅質螺紋管式換熱器實物如圖1所示。

圖1 銅質螺紋管式換熱器實物

這一換熱器型號為威納100.602-42,被冷卻介質為ISO VG320全合成潤滑油,系統壓降為6.0×104Pa,冷卻水介質為經過處理的廣東東江水。冷卻功率為54 kW,潤滑油額定流量為175 L/min,冷卻水需求量為250 L/min,冷卻水進口溫度為38 ℃,推薦溫度為35 ℃,冷卻水出口溫度為41 ℃。銅質螺紋換熱管共有60根,分兩組布置,單側各30根,串聯布置。實測銅質螺紋換熱管外徑為12.5 mm,螺紋深度為1.1 mm,有效壁厚為1 mm,管束總長度為1 760 mm,中間布置有八道折流板,將被冷卻介質分成九個回路。

3 設備缺陷

2019年1月21日巡檢發現1號機組第四臺磨煤機潤滑油站油位較之前明顯升高,在保證換熱器換熱效果的前提下,調小工業冷卻水進水流量,隨后立即取樣化驗油質,油樣化驗結果顯示油內含水量超標,初步判定換熱器內有個別銅質螺紋換熱管發生泄漏。

解體檢修該換熱器,發現在銅質螺紋換熱管束中第四道折流板附近的一根銅質螺紋換熱管的螺紋根部存在細小裂紋狀泄漏點,銅質螺紋換熱管泄漏點原始照片如圖2所示。在提取該銅質螺紋換熱管的過程中,由于在泄漏點處因銅質螺紋換熱管強度不足而斷裂。銅質螺紋換熱管裂紋端面照片如圖3所示。

圖2 銅質螺紋換熱管泄漏點

圖3 銅質螺紋換熱管裂紋端面

對該銅質螺紋換熱管的其它完好部位進行橫向切斷,完好銅質螺紋換熱管橫向切開斷面照片如圖4所示。由圖4可見,斷面金屬光亮、有光澤,母材完好,無明顯腐蝕凹坑、減薄現象,說明整體情況良好。但因為是銅質螺紋換熱管,照片斷面顯示的是螺紋的剖面,所以能準確反映出有效壁厚。

再對該銅質螺紋換熱管的其它完好部位進行縱向切開,完好銅質螺紋換熱管縱向切開斷面照片如圖5所示。由圖5可見,內壁上存在棕褐色較為堅固薄層,經輕微打磨后可以消除,無其它明顯污垢、銹蝕、沖刷等痕跡。螺紋斷面、有效壁厚光亮、呈金屬光澤,說明總體情況良好。

圖5 完好銅質螺紋換熱管縱向切開斷面

4 泄漏原因分析

銅質螺紋換熱管由銅質光滑管車削制成,螺紋作為主要受壓部位首先要保證承壓能力,螺紋的目的是造成二維流動,形成湍流,增強換熱管的傳熱效果。但由于螺紋管在制作過程中,受管材直線度、車削控制精度等因素影響,螺紋深度可能存在一定程度的偏差,過深過密的螺紋不僅會造成大的壓降,而且容易造成換熱管在使用過程中失去穩定性。

銅質螺紋換熱管與管板在脹形作用下形成密封,螺紋管自身會存在不同程度的殘余應力,局部位置的應力相對集中,導致螺紋換熱管的承載能力相對較低。因螺紋換熱管束兩側管板為多孔圓平板,承受載荷具有均勻性的特征,設備在運轉過程中,管程和殼程的壓力主要由螺紋換熱管束或螺紋換熱管承受。螺紋換熱管的螺紋根部剛性較小,當螺紋換熱管束或螺紋換熱管承受外界壓力過大時,螺紋根部首先會出現失穩現象。

銅質螺紋管換熱器為達到增大換熱面積、良好的換熱性能、高導熱系數目的,因此銅質螺紋換熱管設計的管體較薄,材質較軟,有效壁厚僅為0.8～1 mm,致使銅質螺紋換熱管橫向支撐強度不高,抗沖擊能力薄弱,抗振能力差,在高流速介質的不斷沖刷下,銅質螺紋換熱管的螺紋根部長期存在彎折性顫動,應力相對集中部位耐壓抗振能力差,進而發生疲勞裂紋、穿孔泄漏,乃至斷裂。

折流板對銅質螺紋換熱管束具有一定的支撐作用,但由于折流板設計厚度不足、間距過大、開孔處工藝不良等問題,都將影響折流板的設計支撐效果。在銅質螺紋換熱管束中間,銅質螺紋換熱管與折流板的裝配間隙容易出現誤差,為便于銅質螺紋換熱管與折流板的裝配,折流板孔徑設計略大于銅質螺紋換熱管螺紋外徑。但孔徑加工時的偏差會造成折流板孔與銅質螺紋換熱管裝配后間隙偏大,間隙越大,折流板左右兩側的銅質螺紋換熱管橫向剛性也就越差,靠近折流板左右兩側附近的銅質螺紋換熱管螺紋根部彎折的次數就越多,幅度也會更大,這是導致銅質螺紋換熱管失穩的主要原因之一。

折流板的主要作用是讓殼程內的介質沿著銅質螺紋換熱管束間隙呈螺旋狀均勻分布,螺旋狀運動的流體在銅質螺紋換熱管兩側交替發生漩渦,形成周期性漩渦層流,致使銅質螺紋換熱管上的壓力部分也呈現周期性變化,進而對銅質螺紋管換熱管產生了沖擊和擾動,導致銅質螺紋換熱管產生縱向振動。撓性大的管跨和流速高的區域是首先被破壞的區域,撓性大的區域主要是折流板區域,流速高的區域主要是銅質螺紋換熱管的進出口區域,與銅質螺紋換熱管幾何尺寸有關的流體運動,均能引起銅質螺紋換熱管的振動,原來縱向剛性較差的銅質螺紋換熱管,再疊加上螺紋根部的應力集中,就會在某根銅質螺紋換熱管在折流板附近長期彎折處出現裂紋,裂紋繼續延展,進而裂透至換熱管內壁,導致銅質螺紋換熱管泄漏在所難免。

5 設備處置對策

因這一銅質螺紋管式換熱器換熱管束中缺少了一根斷裂的換熱管,使換熱管內部設計流場發生了改變,銅質螺紋換熱管束整體穩定性存在極大的安全隱患,為了保證設備運行的可靠性,將該換熱器報廢處理,更換備用合格的銅質螺紋管式換熱器。

這一機組換熱器為同一批產品,結構一致、運行時間相近,裂紋或已產生,只是有些未裂至銅質螺紋換熱管的內壁,但是風險依然存在,隨時都有可能發生裂紋穿透、泄漏,污染潤滑油后損失更大。應定期擇機逐臺進行壓力檢測試驗,檢驗銅質螺紋換熱管的氣密性和耐壓性。發現漏點后,暫時堵管處理,之后每年進行一次壓力檢測試驗。如果堵管總量小于10%～15%,可以回裝繼續使用。如果有更多比例的銅質螺紋換熱管泄漏、堵管,為保證換熱器的換熱效果,則應更換新的換熱器。

6 換熱器性能比較

6.1 導熱性能

由于不銹鋼光管與銅質螺紋管具有不同的導熱系數,相同管徑、長度、壁厚銅質螺紋管的導熱系數一般是不銹鋼光管的2～3倍,但是不銹鋼光管的壁厚相對銅質螺紋管可以減薄到0.5～0.8 mm,而銅質螺紋管受材質特性限制,綜合考慮銅質螺紋管的強度和抗沖刷磨損等原因,壁厚一般情況下不低于1.2 mm,壁厚為0.7 mm的不銹鋼光管比壁厚為1.2 mm的銅質螺紋管的總體換熱系數高2.124%左右。銅質螺紋管內表面容易產生氧化物,其內部比不銹鋼光管內部更粗糙,容易結垢,顯著增加了銅質螺紋管的熱阻,降低了傳熱效率。綜上所述,在設計的換熱量工況下或壁厚差距較大的情況下,不銹鋼光管換熱器與銅質螺紋管式換熱器總體傳熱系數不僅差距不大,而且還有可能占有一定的優勢。

6.2 抗腐蝕性能

眾所周知,不銹鋼光管換熱管表面光滑,防垢性能、抗腐蝕性能和抗沖擊腐蝕性能明顯優于銅質螺紋管式換熱器,使用不銹鋼光管換熱器時可使用高酸堿值的冷卻水,降低腐蝕產生概率,從而進一步提升冷卻水流速,這樣不僅可以減少管內雜質的沉積,而且還可以提升總體傳熱系數。但不銹鋼光管換熱管內工業水要監測濁度和氯離子含量,避免氯離子含量超標在沉積物或在管壁縫隙處不斷聚集,超過不銹鋼光管換熱管的耐腐蝕極限,從而在運行中發生點蝕,進而影響不銹鋼光管換熱管使用的穩定性和安全性。

6.3 安全性能

不銹鋼光管的屈服強度、拉伸強度、彈性模量明顯高于銅質螺紋管,不銹鋼光管的熱脹系數明顯低于銅質螺紋管,有更強的塑性,不易因介質溫差而損傷換熱管與管板脹口密封性能,而且不銹鋼光管換熱管與管板接口密封還可以采取先焊后脹的方式進行密封,通過脹管有效緩解應力集中的影響,提高焊接處抗疲勞能力,保證焊縫致密性和抗拉脫能力,有效提升不銹鋼光管換熱管口密封的安全性。不銹鋼光管換熱管采用管材厚度均勻的標準管材直接加工而成,管壁厚度容易控制,不會出現壁厚不均勻或壁厚偏差過大問題,更有利于提高換熱管的強度,不易在使用過程中出現失穩現象,從而保證換熱器的整體使用安全性。

6.4 使用壽命

由于不銹鋼光管換熱管用標準管材加工制作而成,管材厚度均勻,更易于控制生產加工質量,可以有效地降低因加工過程中的誤差而造成換熱管發生故障的概率,而銅質螺紋換熱管由銅質光管車削而成,螺紋深度可能存在誤差,進而造成銅質螺紋換熱管的有效壁厚存在較大誤差,外加螺紋根部局部位置應力集中,在使用過程中極易發生故障,因此不銹鋼光管換熱管可以有效延長換熱器的整體使用壽命,一般能夠達到銅質螺紋管式換熱器的2～3倍使用壽命。

6.5 制造維護成本

不銹鋼光管換熱管在生產制造過程中工藝簡單,管坯制作工藝靈活,相對于傳統銅質螺紋換熱管在生產上成本更加低廉,精度要求較低,尤其是在大批量生產的情況下,不銹鋼光管換熱管生產速度快,管坯來源廣泛,生產成本較銅質螺紋換熱管節約20%左右。不銹鋼光管換熱管較銅質螺紋換熱管內外光滑度有極大的提升,不僅在防止結垢性能上效果更加顯著,間接提升換熱效果,而且大幅度減少換熱管的清洗次數,降低日常維護人員工作強度,減少日常維護成本,因此不銹鋼光管換熱管在制造維護成本方面顯著優于銅質螺紋換熱管。

7 結束語

管殼式換熱器在火電廠潤滑油系統中發揮著極其重要的作用,筆者通過實際案例對傳統銅質螺紋換熱管結構原理進行分析,準確找出泄露原因。在管殼式換熱器的導熱性能、抗腐蝕性能、安全性能、使用壽命、制造維護成本等方面對不銹鋼光管換熱器與銅質螺紋管式換熱器進行分析比較,不銹鋼光管換熱器體現出了一系列的應用優勢,有效提升了管殼式換熱器使用的耐久性和安全性,使不銹鋼光管換熱器的應用價值得以更好的發揮,適應時代發展的需要。從長遠考慮,避免或降低同類型設備泄漏的概率,減少生產損失,節約維修費用,可以提高機組運行的經濟性和安全性。