1、概述

合成氣分離裝置以凈化氣、未變換凈化氣及乙二醇弛放氫氣為原料，采用變壓吸附(PSA)工藝提純氫氣和一氧化碳，是中石化湖北化肥分公司20萬t/a合成氣制乙二醇工業示范項目主要生產裝置之一。為滿足工藝條件，產出合格工藝氣體輸送下游，同時適應過程中存在高溫高壓有毒有害介質，該裝置廣泛使用結構堅固、可靠性高、適應性強的管殼式換熱器，提高裝置安全性能。

系統運行后，受PU型催化劑粉化、工藝環境變化等因素影響，先后導致該裝置出現管殼式換熱器腐蝕失效、循環水泄漏工藝氣、墊片密封失效等事故。通過分析管殼式換熱器典型的故障，采取針對性改進措施，解決了管殼式換熱器腐蝕、泄漏問題［1-2］。自2018年7月至今，該裝置管殼式換熱器運行正常，為整體裝置安穩長滿優，提供了堅實的設備安全保障基礎。

2、管殼式換熱器基本類型

管殼式換熱器主要由筒體、封頭、管束、管板、折流板、接管、法蘭及膨脹節等組成。按結構特點，管殼式換熱器分為固定管板式換熱器、浮頭式換熱器、U型管式換熱器、雙重管式換熱器、填料函式換熱器和雙管板換熱器等。前3種換熱器因其在制造、安裝、造價、清洗等方面的優勢特點，綜合性價比高，廣泛應用于化工行業。間壁式換熱器共計28臺，用于顯熱交換能量，其中管殼式換熱器24臺、板式換熱器4臺。PSA裝置工藝介質組分為H₂、CO、CO₂、N₂、Ar、CH₄、CH₃OH、二甲醚、飽和蒸汽、循環水、氯化銅等［3-4］。發生典型故障的管殼式換熱器，共計固定管板、U型管式、浮頭式3種類型，詳細參數見表1。

3、管殼式換熱器的故障、原因分析及處置措施

3.1再生氣加熱器(E105)

3.1.1故障描述

2016年6月投用的E105為一臺雙管程固定管板立式換熱器，管板角焊縫部位蒸汽發生3次泄漏，工藝氣參數異常，下封頭導淋排出蒸汽(正常為氮氣)。每次檢修需要切除E105，降低裝置負荷，且修復時長至少為8h，嚴重影響生產效益和生產安全。為此必須找出泄漏的根本性原因(見表2)，并提出解決措施，從而消除隱患。

3.1.2原因分析

(1)換熱管制造缺陷

規格為φ25.000mm×2.500mm的E105換熱管，材質為20#鋼。介質沖刷引起磨損，換熱管銹蝕導致管壁減薄、腐蝕。當不能滿足工藝工況時，換熱管發生泄漏。

(2)溫差應力

金屬材料隨溫度變化而其體積膨脹或收縮的特征，稱為熱膨脹性。一般來說，受熱時，金屬體積會膨脹;冷卻時，金屬體積會收縮。體脹系數大約為線脹系數的3倍。由于換熱器的管板與換熱管之間為剛性焊接，上下封頭限制了換熱管受熱膨脹伸長量，使用過程中需承受較大的溫差應力和壓力載荷。換熱管管板的溫度載荷高，則徑向變形大;換熱管管板的溫度載荷低，則徑向變形小。同時，管板厚度大，抵抗變形的剛度也大，管板連接處的殼體約束就大，限制了殼體在高溫載荷作用下引起的徑向膨脹。當受熱膨脹伸長量大于設計值時，形成局部應力集中，管板角焊縫等處出現裂紋和砂眼，導致管板出現泄漏，管殼程介質發生互竄。

E105筒體材質為Q345Ｒ，列管材質為20#鋼，殼程蒸汽實際操作溫度為280℃，管程氮氣實際操作溫度為90℃，溫差為190K。

線脹系數計算公式如下:

α_L=(L₂-L₁)/(L₁×Δ_t)(1)

式中:α_L為線性膨脹系數，℃-¹，查表鐵(Fe)的線脹系數為11.76×10^-6℃^-1;L₁為膨脹前長度，m，換熱管設計長度為5m;L₂為膨脹后長度，m;Δ_t為溫度變化量，K。

把數據代入式中，由此計算出換熱管膨脹后長度。

11.76×10-6=(L₂-5)/(5×190)L₂=5.011(m)

管程與殼程極限溫差通常小于120K，經計算，換熱管最大膨脹量長度為5.007m。即換熱管伸長量為11.000mm，其大于7.000mm(Max)，故換熱管膨脹伸長徑向應力集中，導致與管板相連角焊縫發生泄漏。

3.1.3處置措施

(1)補焊

關閉氮氣進出口閥門并安裝盲板，關閉蒸汽管道進出口閥門，開E105上、下封頭后，緩慢打開E105殼程蒸汽入口閥。裝置切段時，采用著色探傷檢測方法，發現泄漏點并進行補焊處理(見圖1)。

通過該方法，暫時解決了泄漏問題。當E105按原工況條件投入使用15d后，再次發生管板焊縫泄漏［1-2］。

(2)控制溫差

在滿足工藝操作條件下，優化管程氮氣溫度及殼程蒸汽溫度，使其溫差小于120K，最終工藝條件無法實現。

(3)設計選型

分析設備泄漏的主要原因，判斷為結構設計不合理。因管程與殼程溫差為190K，管板角焊縫部位溫差拉應力超過固定管板式換熱器允許的溫差。因此，正常工況下，固定管板式換熱器不能滿足要求，在接管和支座的規格尺寸、方位、標高、總體結構尺寸、換熱面積、主體材質不變的情況下，將固定管板式換熱器更改為U型管式換熱器。U型換熱管及換熱管與管板焊接見圖2。

U型換熱管在筒體內受熱膨脹，根據線脹系數公式，當溫差為120K時，換熱管尺寸由原來的5.000m更改為U型管的10.400m，計算膨脹后極限長度伸長量為14.676mm。根據已知管程與殼程溫差為190K的工況，換熱管膨脹后長度極限伸長量為11.172mm。即U型換熱管滿足實際工況要求，溫差應力在工藝允許范圍內。

改型后的E105運行正常，至今未發生工藝介質泄漏問題。

3.2PSA-3真空泵前冷器(E301)

3.2.1故障描述

E301為U型管換熱器，工藝流程為工藝氣T301→E301→P301→E302→D305，循環水流程為地面上水總管→E301(16.0m框架)→E302(20.5m框架)→地面回水總管。換熱器臥式布置在16.000m和20.500m框架上。U型管程介質為循環水，殼程介質為帶催化劑粉塵的CO氣體。

E301換熱面積為248.1m2，換熱管為φ19.000mm×2碳鋼管，共350根管。2018年7月15日，總控DCS顯示，E301殼程工藝氣壓力有緩慢上升趨勢。由于管程壓力高于殼程，導致氣體帶水，影響后續裝置設備安全穩定運行。

3.2.2原因分析

(1)U型換熱管應力故障

工藝工況波動，導致管板與管道存在一定的拉應力或交變應力。在換熱介質、應力改變以及發生間隙、碰撞、磨損等情況下，管子會產生微觀裂紋，裂紋會迅速擴展而發生泄漏［3-4］。

(2)循環水流速較小

E301管程為雙程，位于16.000m高鋼結構平臺上。由于循環水總管壓力為0.30MPa，根據壓強公式P=ρgh，計算P為0.16MPa。由此可知，實際到達管程循環水壓力為0.14MPa時，壓力低、流速慢使得污垢沉積，宏觀生物體、微生物體吸附在換熱管及管板表面，導致換熱效率降低，管程與殼程溫差較大形成應力，集中破壞換熱管分子結構，最終發生泄漏。

(3)循環水溫度較低

設計安裝時，雖針對循環水總管有溫度、壓力、流量監控，但E301循環水側進出水管上未安裝壓力表及溫度計，不能及時觀察分支循環水工藝參數變化。根據低溫腐蝕的常識，換熱管循環水流速低，在低溫平均進出口溫度為35℃狀況下，導致20#碳鋼管耐腐蝕性能下降。同時，受熱面壁溫降低，循環水中溶解的氧與鐵發生化學反應，造成U型管腐蝕泄漏。

3.2.3處置措施

7月20日，乙二醇裝置因老廠區電網故障停車。檢查E301U型管式換熱器，發現換熱器管板上結垢嚴重，U型管被腐蝕堵塞(見圖3)。

(1)高壓水沖洗

抽芯后觀察U型換熱管及管板，發現其結垢較多。利用高壓水泵送出高壓水，根據污垢的致密度選擇高壓水壓力至合適范圍，對殼體內壁、管束外壁銹垢進行全面清洗，直至潔凈。

(2)渦流檢測

E301為U型管式換熱器，總計350根列管。

由于U型彎管段探頭無法通過，探頭從列管兩端分別穿入，列管進口端和出口端分別計數。渦流檢測數據見圖4。

U型換熱管組設計值為φ19.000mm×2，按渦流測厚檢列管全長壁厚均勻一致標準，350根列管均存在不同程度的整體減薄情況。

(3)更換列管材質

借助渦流檢測的精準數據，將被抽芯的管束連接封頭復位，封頭導淋端引入0.45MPa循環水試壓，換熱管有17根存在明顯滲漏現象。用堵管維修方法不能解決換熱器換熱效果差問題，將20#碳鋼管更換為304不銹鋼管，嚴格控制工藝操作條件，可消除腐蝕泄漏問題。鑒于材料總成本性價比，最終全部U型管更新為20#材質。

(4)工藝調整

導致E301腐蝕的主要原因為循環水至換熱器平臺壓力低，流速小于實際值，造成污垢聚集，導致氧離子化學反應腐蝕換熱管。為提高循環水至平臺框架壓力，確保循環水工藝參數符合生產要求，在地面循環水總管處安裝額定體積流量為1000m3/h、揚程為15m、轉速為1480r/min的單級雙吸臥式離心泵。

離心泵投入使用后，E301循環水進出口壓力大于0.30MPa，出口溫度為39℃，其流量符合設計值要求。運行至今，該批次U型管換熱器未發生腐蝕泄漏故障。

3.3置換氣壓縮機氣體冷卻器(E303)

3.3.1故障描述

E303(見圖5)為內浮頭式換熱器，殼程介質為工藝氣，管程介質為循環水。2015年3月23日，正常生產過程中發現其壓力波動、工藝氣溫度異常。工藝切除后，技術人員打開殼程導淋閘閥，發現有水溢出，隨即確定內浮頭式換熱器內漏。

3.3.2原因分析

(1)內浮頭封頭螺栓、墊片失效

在室溫下安裝預緊時，法蘭環的密封面通過緊固螺栓施加的壓力而緊密接觸。當墊片被壓緊后，墊片開始變形。隨著比壓的增大，墊片的變形變大，逐漸將墊片表面擠壓到法蘭密封面的波谷中。當墊片單位面積上的壓緊力達到墊片預緊密封比壓時，墊片填滿整個波谷，阻止介質從界面滲透出來。在壓緊力的作用下，墊片中間部分除有一定的塑性變形外，還有一定的彈性變形。在操作狀態下，介質壓力、溫度升高。一方面，緊固螺栓受拉伸，導致法蘭密封面和墊片相接觸的壓緊面產生分離趨勢，墊片在預緊時形成的壓縮量減小，壓緊面上的密封比壓下降;另一方面，墊片在預緊時，壓縮變形中的彈性變形部分隨著壓緊面的分離趨勢必然要恢復而產生回彈作用，其壓縮變形的回彈量補償因螺栓的伸長引起壓緊面分離。當作用在密封面墊片上的密封比壓不能達到墊片操作密封比壓時，且內浮頭螺栓在使用過程中不能實現自緊密封，溫差應力和預緊過程中存在殘余應力，導致內浮頭墊片失效泄漏(見圖6)。

(2)換熱器零部件受熱不均

運行3a后，吸附劑等工藝物料受工藝環境影響存在粉化現象。大量粉化吸附劑通過管道到達E303殼程，在內浮頭處聚集;在正常生產時，管程與殼程存在80K左右的溫差，粉化吸附劑的參與進一步強化受熱不均，引起零部件應力的分布變化，隨著時間推移不斷發生熱脹冷縮，最終導致泄漏(見圖7)。

(3)換熱管腐蝕

殼程設計壓力為1.00MPa、管程設計壓力為0.60MPa。按照操作規程，分別通入氮氣、循環水打壓至設計壓力，保壓30min后，壓力無明顯變化。通過渦流檢測，未發現漏點，證明換熱管暫未發生腐蝕失效。

3.3.3處置措施

(1)安裝過濾器

在換熱器入口管道安裝可切換的管道過濾器(見圖8)。在中控DCS上接入過濾器壓力監測信號，正常值為0.6kPa。當差壓值≥1.0kPa上限時，切換至旁路過濾器，并對過濾器進行清理，確保不因粉塵浮頭換熱器內積聚造成的熱應力失效。

(2)工藝查漏

裝置每次停車檢修后，待工藝處理合格，必須對內浮頭墊片進行更換，并全部按照圖9中的順序(1—10)把緊螺栓。試壓時，若某一點泄漏，沿著該泄漏點兩側向外對稱地分別緊固螺栓消漏。復位內浮頭后，按管程1.25倍設計壓力進行液壓或氣壓試驗，即0.75MPa查漏，確保其密封完好。

(3)更改墊片

根據鋼制管殼式換熱器相關標準，因工藝氣為有毒有害介質，棄用耐油橡膠石棉板墊片。管板與封頭蓋墊片壓槽為凹凸面，槽寬為10.000mm、深度為5.000mm。金屬纏繞A型墊片易變形散架，故采用鍍鋅鐵皮包橡膠墊片。原設計金屬包覆墊片尺寸為φ895.000mm×865.000mm×3.200mm、φ950.000mm×910.000mm×3.200mm(帶筋)，觀察發現，由于安裝要求精度高，封頭蓋凸面不能100%充分貼緊密封墊。經分析，將墊片厚度由3.200mm更改為4.000mm。

更換墊片的注意事項:①在運行過程中，盡量避免裝置溫度和壓力發生頻繁波動，對內浮頭墊片造成影響，導致疲勞失效。②在確定檢修試驗壓力時，充分考慮溫度系數的影響，防止墊片在高溫下發生蠕變和應力松弛，降低密封比壓，導致泄漏。③選用符合要求的強度螺栓，并使用正確的力矩工具緊固。若強行加大偏離正常值預緊力會使與其配合的相關部件變形，并且變形后無法形成預緊力或使預緊力下降。④選用墊片時，要符合實際要求，增加厚度，以保證密封結合面有效貼合。

在嚴格的施工檢修要求下，使用優化后的墊片，從根本上消除了內浮頭換熱器的泄漏問題。

3.4一氧化碳壓縮機段間換熱器(E304)

3.4.1故障描述

E304為固定管板式換熱器(臥式)，工藝參數見表3。2015年5月7日，注水試壓;5月8日上午，打壓至0.95MPa后，發現一根管道漏點。使用空心堵頭堵管后，殼程壓力保持至試驗壓力，維持30min(水壓試驗殼程壓力為0.94MPa，管程壓力為0.75MPa)，壓力無明顯下降。使用EEC-39ＲFT渦流儀，對859根規格為20.000mm×1.500mm×4000.000mmS30408換熱管進行檢測，檢測比例為100%。渦流測厚數據統計見表3。

由表3可知:合計檢測根數(包括不完全檢測管)為859根，其中缺陷列管根數為136根;管道平均壁厚為1.48mm。

由于換熱管采購周期為1個月，不滿足生產要求，于是對該換熱器進行堵管處理。

管殼式換熱器換熱面積計算公式為:

A=πNDL(2)

式中，A為換熱器換熱面積，m²;D為管道外徑，m;L為管道長度，m;N為管束的管數，根。

代入數據計算原管殼式換熱器換熱面積理論值。

A=3.14×859×0.02×4=215.78(m²)

堵管22根后代入數據換，計算熱面積

A=3.14×837×0.02×4=210.25(m²)

經分析，滿足換熱面積基本要求。

值得注意的是，換熱面積是否滿足生產要求，要根據工藝條件進行判斷。根據歷年換熱管束發生腐蝕泄漏的事故案例及化工生產經驗總結，在換熱器泄漏管束不超過總換熱管數10%的情況下，可以進行堵管處理。利用錐形金屬銷子，在換熱管的兩端打緊焊死，將泄漏的管子堵死不用。金屬銷子的材料硬度需低于換熱管的硬度，且銷子的錐度在3°～5°之間。當泄漏的換熱管數量超過總數10%的情況下，采用堵管的方式對換熱器的換熱效率會產生較大影響，甚至直接不能滿足裝置工藝條件，故此時需更換管束。

堵管后，對管程殘存的催化劑粉塵進行高壓水沖洗后復位。5月12日裝置開車，當打開循環水進出口閥門后，發現管程(工藝氣)壓力急速上升，工藝氣側導淋排出大量循環水，判斷為換熱管嚴重腐蝕穿孔導致泄漏。

3.4.2原因分析

換熱管材質為不銹鋼，通常不銹鋼表面有一層鈍化膜，一旦其遭到破壞，破壞處即成為陽極，在水滴中會吸出鐵離子，開始出現點腐蝕。經化驗分析，該換熱器中的催化劑粉塵中含有氯離子，當氯離子溶解在水滴中，隨著其濃度逐漸增加，不銹鋼鈍化膜遭到嚴重破壞。在使用循環水沖洗含有氯離子的換熱管中，不銹鋼表面的氧化膜發生溶解，其原因是氯離子能優先選擇吸附在氧化膜上，把氧原子排掉，然后和氧化膜中的陽離子結合生成可溶性氯化物，在基底金屬上生成孔徑為20～30μm的孔蝕核。在外加陽極極化條件下，介 質中的氯離子加快反應，其蝕核發展成蝕孔。由于點腐蝕生成的鐵鱗為多孔物質，氯離子會加快點蝕速度。在含氧條件下，蝕孔進一步擴大，則發生腐蝕穿孔導致泄漏(見圖10)。

3.4.3處置措施

(1)結垢及粉化催化劑處理

此次腐蝕主要原因為催化劑組分氯化銅中氯離子析出，遇水與不銹鋼發生反應造成腐蝕。檢修時，對于需清理的含氯離子污垢、催化劑粉塵等，使用干燥的工廠空氣進行吹掃清洗，將其氯離子質量分數控制在25×10-6以下。

(2)更換換熱管材質

為防止后續再次出現換熱管腐蝕失效情況，將換熱管、管板等部件的材質更換為雙相鋼(見圖11)。

4、改造注意點

為避免或減少管殼式換熱器失效，根據其特性(見表4)，從源頭充分考慮選材、設計、制造、裝配和使用過程中風險點，提高裝置整體運行效率。通過分析3種常用管殼式換熱器的實際案例，表明了影響管殼式換熱器失效的因素是多維度的。

5、結語

為了避免再次發生同樣的失效，一是在符合工藝條件下要準確選型，包括全面分析溫度、壓力降、物流(介質流程)以及換熱器材質的安排;二是實時監控換熱器數據，包括溫度、壓力、流量，精心工藝操作、標準化檢修，確保各項實時數據控制在合理范圍內，最大限度地延長換熱器使用壽命，保證設備及整個裝置系統安全穩定運行。

參考文獻

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