海水換熱器串流故障分析及解決

摘 " " "要： 海水換熱器作為FPSO原油處理系統中的原油冷卻裝置，對原油處理、儲存、外輸至關重要。針對海水換熱器在使用中出現的串流故障，提出了現場應急處理辦法，并且對產生串流故障的原因展開了分析，制定了下一步檢修計劃，為海上油田同類型的海水換熱器故障檢修提供了參考依據。

關 "鍵 "詞：FPSO；海水換熱器；串流

中圖分類號：TK172 " " " "文獻標識碼： A " " "文章編號： 1004-0935（2023）07-0989-04

某海上油田由井口平臺、海底管道和浮式生產儲卸裝置（FPSO）構成，其中FPSO是該海上油田的處理終端設施，作用是通過海底輸油管道接收從井口平臺油井產出的油、氣、水混合液，經過FPSO上的原油處理系統進行脫水、脫氣處理后形成合格的原油[1]。處理合格的原油含水要求低于0.5%，并且在70 ℃時的雷諾蒸汽壓RVP≤10 psi、 " " "TVP≤12 psi，最大含鹽量小于20 PTB。這些處理合格后的原油會輸送到FPSO上的貨油艙暫時儲存，當到達經濟外輸量后，利用外輸系統輸送到穿梭油輪，通過海運送到指定煉油廠進一步煉化。

經過長期實踐發現，在原油處理過程中，提高原油溫度可以有效降低原油黏度以及提高原油輕質組分的揮發程度[2]，有利于原油脫水、脫氣，提高油、氣、水三相分離效率。因此在FPSO原油處理系統中使用熱介質換熱器進行三級加熱，在原油處理過程中將原油溫度從70 ℃提高到了105 ℃。雖然原油溫度提高有利于原油的處理，但是受到貨油艙設計和艙壁防腐涂層的限制，溫度在105 ℃原油直接進入貨油艙后會導致艙室發生形變，并且加劇艙室板材的腐蝕，因此在原油下入貨油艙之前需要降低原油溫度。為了防止下艙原油破壞貨油艙，FPSO原油處理系統在原油加工合格后，下艙成品原油通過海水換熱器，將成品原油溫度降至69 ℃以下，再進入貨油艙儲存。 因此海水換熱器運行情況關系到整個FPSO原油處理、儲存的穩定，對船體結構安全、使用壽命起著舉足輕重的作用。

1 "海水換熱器簡介

熱交換器是將不同溫度介質之間的熱量通過熱傳導的形式，由高溫介質傳遞給低溫介質，使介質達到生產所需溫度的工藝設備[3]。為提高換熱的效率，海洋石油處理系統常采用殼管式換熱器，殼管式換熱器大量用于原油換熱器、熱處理器預熱器、計量原油加熱器、乙二醇加熱、海水換熱器等，其構成部件包括管板、管束、隔板、殼體、封頭等。作為管殼式換熱器的一種，海水換熱器使用低溫海水作為制冷劑，其成本低，結構簡單，冷卻效果明顯，廣泛應用于海上采油領域。因此海水換熱器是原油處理系統使用最廣泛的一種關鍵設備。

根據實際使用情況中不同的介質、不同的工作條件、不同的溫度、不同的壓力等影響，采用的海水換熱器結構類型也不同[4]。目前，某海上油田FPSO原油處理系統使用的海水換熱器結構是殼管式換熱器中的一類浮頭式換熱器，其內部管板一邊是通過螺栓和換熱器外部殼體相連，固定在殼體上，不能發生相對運動，另一端沒有約束，可以相對于殼體發生移動。由于這種特殊的結構，在浮頭式換熱器的管束和殼體在發生熱變形后，兩者可以發生相對移動，因而不會造成應力集中，這種特性使浮頭式換熱器特別適合用于兩種換熱流體的溫度差值比較大的情況。

某海上FPSO原油處理系統使用的海水換熱器設備型號 BE6900-0.77/1.15-170-3.62/19-2I，材質是BFe30-1-1，容器凈重7 336 kg，換熱面積達170 m2，其設計參數見表1。該海水換熱器的管程流體是海水，管束共有816根，規格為19 mm×2 mm，海水通過離心泵加壓從海中抽汲到管束內，換熱后的海水再次排入海內。殼程流體是成品原油，高溫的成品原油從換熱器的殼體流入，由于隔板的阻擋，在殼體內程往復向前流動過程中，與管程內的低溫海水進行充分的熱量交換，最終成品原油溫度從105 ℃降到69 ℃。

2 "故障現象及影響

在海水換熱器的海水入口處安裝有海水過濾 器[5]。該過濾器是防止離心海水泵抽汲上來的泥砂和海洋生物進入海水換熱器中堵塞管束。為了保證海水換熱器正常運行，需要對過濾器進行定期維保，FPSO維保人員在對過濾器進行日常維保時，發現在過濾器濾網中存在殘余的黑色浮油。立即對過濾器濾網內浮油進行取樣，在化驗室中進行組分化驗分析，通過把浮油的組分和成品原油的組分進行綜合比對，最終確定濾網內浮油來自于海水換熱器殼程內的成品原油。

針對現場流程判斷，當海水換熱器發生串流后，會導致部分成品原油從換熱器的殼程進入到管程中，最終成品原油會匯入到海水系統中，造成原油泄漏。原油泄漏不僅會造成海水污染，破壞海洋生態環境，而且造成原油損失，油田產量不達標，因此需要立即解決。

3 "應對措施

結合現場生產情況，為了防止事態進一步惡化，FPSO維保人員打開海水換熱器旁通，使成品原油暫時通過旁通直接進入貨油艙室，之后下線海水換熱器。隔離海水換熱器原油、海水流程，關閉管程、殼程的進出口管線相關閥門，將殼程中原油的液位排放到最低后掛牌、鎖定排放管線閥門，并且對原油、海水進出口管道加插式盲板進行封堵[6]。

將海水換熱器離線隔離后，用氮氣對海水換熱器的管程和殼程進行試壓，觀察海水換熱器的殼程和管程是否相互連通。 在壓力測試之前，應清洗海水換熱器管束以清除海水換熱器管中任何殘留的水漬，并在壓力測試過程中查明特定的泄漏管束。試壓時，在海水換熱器管程側通入氮氣，提高壓力到0.5 MPa，觀察殼程側壓力表，發現換熱器殼程壓力也隨著不斷升高，直至與管程側壓力相等，測試結果如表2所示。當向海水熱交換器殼程注入氮氣時，也會出現同樣的壓力上升現象。這表明該海水換熱器的殼程和管程之間有一個或者多個連通點，形成了串流，導致一側升高壓力，另一側壓力也隨之 " 變化。

縱觀以往故障的總結，海水換熱器發生串流故障的常見原因主要有以下3點[7]：浮頭蓋的墊片隨著時間的推移已經老化或損壞，或者被壓縮變形[8]；換熱管被海水腐蝕，發生穿孔；換熱管焊道缺陷。

針對浮頭式換熱器串流常見原因[9]，進行逐條排查。排查計劃如下：

1）浮頭蓋墊片檢查。拆除換熱器外頭蓋管箱露出浮頭蓋對管程進行氣密性試驗可檢驗浮頭蓋密封情況，當浮頭蓋墊片泄漏時用泡沫水噴灑可發現 "漏點。

2）換熱管束檢查。確認浮頭蓋密封嚴密后，在管側進行靜水壓試驗。 如果換熱管泄漏，水將從管束中流出。結合配套試壓盤可確認具體換泄漏熱管編號。

3）換熱管焊道檢查。與上一步類似，如果管束漏水，則可確定換熱管焊道漏水位置。

拆下外頭蓋并進行工藝隔離后，在管側進行氣密性測試，發現浮頭蓋墊片處有明顯漏氣現象。 現場人員拆下浮頭蓋時，發現墊片散落幾段，失去了密封作用。 可以確定原因是換熱器浮頭蓋的墊片密封失效[10]，換熱器發生串流。

確定故障原因是墊片密封失效后，清理浮頭蓋密封面后，安裝同尺寸齒形墊片替換之前墊片。安裝結束后展開氣密試驗，管程保壓30 min，在墊片密封面噴泡沫水，沒有起泡沫。之后在管側進行水壓試驗，管束沒有水流出，說明管側的密封性良好。 之后，重新裝上外頭蓋，進行殼側氣密性試驗，殼側壓力保持180 min，試驗結果顯示殼程壓力不降，泡沫水檢查無泄漏，證明外頭蓋墊片密封性良好。

在換熱器回裝結束，為保證管殼程絕對密封，對換熱器進行終檢。終檢時，在殼程安裝一個帶有高靈敏度刻度的壓力表，在管程進行正常的氣密性試驗。 在3 h的壓力測試過程中，殼側壓力表在氣密性測試過程中沒有變化。這表明管側密封良好，故障已解決，海水換熱器恢復運行[11]。

4 "原因分析

通過海水換熱器浮頭蓋墊片損壞情況以及查閱熱交換器裝配標準，可推斷出浮頭蓋密封面過窄是墊片損壞、發生串流的根本原因。

根據《熱交換器》（GB/T151—2014）中要求浮頭式換熱器浮頭蓋密封面寬度應為密封面外徑與浮頭法蘭內徑之差除以2，即：

L=[（Dc+2×1.5）-Dfi]÷2。 " " " "（1）

Dc=Di-2b1。 " " " " " " （2）

Dfi=Di-2（b1+b2）+3。 " " " " " （3）

式中：L-浮頭蓋密封面寬度；

Dc—浮動管板外徑；

Dfi—浮頭法蘭內徑；

Di—換熱器殼體內徑；

b1、b2—修正系數，見表3。

該換熱器殼體內徑Di=900 mm，其中b1、b2值可查表。

由此公式可得浮頭蓋密封面寬度L=17.5 mm，而實際現場測量密封面寬度約為10 mm左右。密封面寬度小于《熱交換器》（GB/T151—2014）中的標準要求[12]。

如果密封面太窄，需要增加螺栓的擰緊力，以保證密封良好，但是用力過大會使墊片變形和損 "壞[13]。而且在浮頭蓋密封面比標準窄情況下，墊片仍使用標準纏繞墊片，纏繞墊片寬于密封面的纏繞部分就會散落，長時間會破壞墊片結構使墊片失效。

本次檢修中浮頭蓋墊片由纏繞墊片更換為齒形墊片，雖然兩種墊片使用工況相同，但結構上齒形墊片面對尺寸較窄的密封面有更好的穩定性，壓緊后不易散落。但是為了保證海水換熱器的運行穩定性，下一步需要將海水換熱器的浮頭蓋更換為標準密封面浮頭蓋，以滿足標準要求。

5 "結 論

海水換熱器發生串流的原因復雜多樣，后果嚴重。 本文針對海水換熱器串流后制定試驗方案，通過壓力試驗、數據審核、現場組合等方法，準確判斷浮頭蓋墊片損壞情況，總結出浮頭蓋的密封面寬度過窄是產生故障的根本原因。

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Analysis and Solution of Internal Leakage

Fault of Seawater Heat Exchanger

ZHAO Wei， ZHANG Ning， CAO Zhi-xing， LIANG Bo

（CNOOC Energy Technology amp; Services-Oil Production Services CO.， Tianjin 300452， China）

Abstract： "As the crude oil cooling device in the FPSO crude oil processing system， the seawater heat exchanger is very important for crude oil processing， storage and transportion. When the seawater heat exchanger is in use， the phenomenon of cross flow often occurs. In this paper， the on-site treatment method was put forward， and the reasons for the cross flow were analyzed， and the next maintenance plan was formulated， providing some reference for troubleshooting the same type of seawater heat exchanger in offshore oil fields.

Key words： Floating production storage amp; offloading; Seawater heat exchanger; Leakage fault