換熱器在石油、化工中應(yīng)用及維護(hù)

【摘 要】在石油化工生產(chǎn)中，由于工藝的需要，在流程中往往存在著各種不同的換熱過程，換熱器就是用來進(jìn)行熱傳遞過程的設(shè)備。它可以使熱量從溫度較高的流體傳遞給溫度較低的流體，以滿足工藝的需要。換熱器的穩(wěn)定運(yùn)行在工藝生產(chǎn)中起著相當(dāng)重要的作用，一旦泄漏會(huì)嚴(yán)重影響工藝生產(chǎn)，造成兩種流體混合，導(dǎo)致不安全因素的產(chǎn)生。本文主要探討煉油化工設(shè)備換熱器的安穩(wěn)、長周期運(yùn)行問題。

【關(guān)鍵詞】換熱器在石油；化工中應(yīng)用的種類；泄漏及清洗

為了適用于不同介質(zhì)、不同工況、不同溫度、不同壓力的換熱器，結(jié)構(gòu)型式也不同，換熱器的具體分類如下：

1 換熱器按傳熱原理分類

（1）表面式換熱器，表面式換熱器是溫度不同的兩種流體在被壁面分開的空間里流動(dòng)，通過壁面的導(dǎo)熱和流體在壁表面對流，兩種流體之間進(jìn)行換熱。表面式換熱器有管殼式、套管式和其他型式的換熱器。

（2）蓄熱式換熱器，蓄熱式換熱器通過固體物質(zhì)構(gòu)成的蓄熱體，把熱量從高溫流體傳遞給低溫流體，熱介質(zhì)先通過加熱固體物質(zhì)達(dá)到一定溫度后，冷介質(zhì)再通過固體物質(zhì)被加熱，使之達(dá)到熱量傳遞的目的。蓄熱式換熱器有旋轉(zhuǎn)式、閥門切換式等。

（3）流體連接間接式換熱器，流體連接間接式換熱器，是把兩個(gè)表面式換熱器由在其中循環(huán)的熱載體連接起來的換熱器，熱載體在高溫流體換熱器和低溫流體之間循環(huán)，在高溫流體接受熱量，把熱量釋放給低溫流體。

（4）直接接觸式換熱器，直接接觸式換熱器是兩種流體直接接觸進(jìn)行換熱的設(shè)備，例如冷水塔、氣體冷凝器等。

2 換熱器按用途分類

（1）加熱器，加熱器是把流體加熱到必要的溫度，但加熱流體沒有發(fā)生相的變化。

（2）預(yù)熱器，預(yù)熱器預(yù)先加熱流體，為工序操作提供標(biāo)準(zhǔn)的工藝參數(shù)。

（3）過熱器，過熱器用于把流體（工藝氣或蒸汽）加熱到過熱狀態(tài)。

（4）蒸發(fā)器，蒸發(fā)器用于加熱流體，達(dá)到沸點(diǎn)以上溫度，使其流體蒸發(fā)，一般有相的變化。

3 按換熱器的結(jié)構(gòu)分類

可分為：浮頭式換熱器、固定管板式換熱器、U形管板換熱器、板式換熱器等。

3.1 注意事項(xiàng)

（1）保持管網(wǎng)的清潔，無論是在工作前還是工作完成后，我們都必須對管網(wǎng)中進(jìn)行清潔處理，這樣做的目的是為了避免發(fā)生換熱器堵塞的現(xiàn)象。還要注意及時(shí)對除污器以及過濾器的清洗，讓整個(gè)工作順利完成。

（2）嚴(yán)重把關(guān)軟化水，對于任何一種水質(zhì)把關(guān)，這一點(diǎn)是相當(dāng)重要，在進(jìn)行對軟化水水質(zhì)處理的前提下，首先要認(rèn)真檢查系統(tǒng)中的水和軟化罐水質(zhì)問題，如果確定合格就可以進(jìn)行注入處理。

（3）新系統(tǒng)檢驗(yàn)，對于一些新系統(tǒng)來說，不能馬上與換熱器進(jìn)行交替使用，首先需把新的系統(tǒng)在指定的時(shí)間段運(yùn)行，讓它有了一個(gè)運(yùn)行模式后，此時(shí)方可以把換熱器并入系統(tǒng)中使用，這樣做的目的完全是為了避免管網(wǎng)中的雜質(zhì)破壞換熱器設(shè)備。

換熱器隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，各種不同型式和種類的換熱器發(fā)展很快，新結(jié)構(gòu)、新材料的換熱器不斷涌現(xiàn)。為了適應(yīng)發(fā)展的需要，中國對某些種類的換熱器已經(jīng)建立了標(biāo)準(zhǔn)，形成了系列。完善的換熱器在設(shè)計(jì)或選型時(shí)應(yīng)滿足以下基本要求：

（1）合理地實(shí)現(xiàn)所規(guī)定的工藝條件；

（2）結(jié)構(gòu)安全可靠；

（3）便于制造、安裝、操作和維修；

（4）經(jīng)濟(jì)上合理。

目前我們石油、化工行業(yè)用的最多的是：浮頭式換熱器，浮頭式換熱器的一端管板與殼體固定，而另一端的管板可在殼體內(nèi)自由浮動(dòng)，殼體和管束對膨脹是自由的，故當(dāng)兩種介質(zhì)的溫差較大時(shí)，管束和殼體之間不產(chǎn)生溫差應(yīng)力。浮頭端設(shè)計(jì)成可拆結(jié)構(gòu)，使管束能容易的插入或抽出殼體（也可設(shè)計(jì)成不可拆的）。這樣為檢修、清洗提供了方便。但該換熱器結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，而且浮動(dòng)端小蓋在操作時(shí)無法知道泄露情況。因此在安裝時(shí)要特別注意其密封。

浮頭換熱器的浮頭部分結(jié)構(gòu)，按不同的要求可設(shè)計(jì)成各種形式，除必須考慮管束能在設(shè)備內(nèi)自由移動(dòng)外，還必須考慮到浮頭部分的檢修、安裝和清洗的方便。

浮頭式換熱器結(jié)構(gòu)如下：

1.殼蓋；2.固定管板；3.隔板；4.浮頭鉤圈法蘭5.浮動(dòng)管板6.浮頭蓋

鉤圈對保證浮頭端的密封、防止介質(zhì)間的串漏起著重要作用。隨著浮頭式換熱器的設(shè)計(jì)、制造技術(shù)的發(fā)展，以及長期以來使用經(jīng)驗(yàn)的積累，鉤圈的結(jié)構(gòu)形式也得到了不段的改進(jìn)和完善。鉤圈一般都為對開式結(jié)構(gòu)，要求密封可靠，結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、便于制造和拆裝方便。

浮頭式換熱器以其高度的可靠性和廣泛的適應(yīng)性，在長期使用過程中積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。盡管受到不斷涌現(xiàn)的新型換熱器的挑戰(zhàn)，但反過來也不斷促進(jìn)了自身的發(fā)展。故迄今為止在各種換熱器中扔占主導(dǎo)地位。

3.2 泄漏

目前，雖然換熱器得到了廣泛的應(yīng)用，但是由于各種原因產(chǎn)生的換熱器泄漏，也造成了物料的浪費(fèi)和環(huán)境的污染，影響著生產(chǎn)裝置的正常運(yùn)行和工廠的經(jīng)濟(jì)效益，已成為生產(chǎn)中不可忽視的問題。了解換熱器可能產(chǎn)生泄漏的部位和產(chǎn)生泄漏的普遍原因，并從設(shè)計(jì)、制造、使用三個(gè)環(huán)節(jié)著手加以控制，就能大大降低換熱器的泄漏率。通過對大量不同種類換熱器的泄漏發(fā)生部位及產(chǎn)生泄漏的原因進(jìn)行分析，并做出相應(yīng)的對策，為換熱器的設(shè)計(jì)、制造和使用提供參考。

（1）制造過程中的缺陷 ，焊接質(zhì)量是換熱器制造上的關(guān)鍵。換熱器管子與管板焊接時(shí)，在焊縫兩側(cè)形成熱影響區(qū)，這是焊接接頭的薄弱部位，容易產(chǎn)生殘余變形和殘余應(yīng)力，即容易形成應(yīng)力腐蝕的基本條件。若遇到腐蝕環(huán)境的影響，例如在H2S、OH-等環(huán)境中（奧氏體不銹鋼在Cl-、OH-等環(huán)境中），就會(huì)發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂，造成換熱器管接頭處泄漏。管子與管板之間的縫隙處存在不流動(dòng)液體，與縫隙外液體形成濃差電池，引起縫隙腐蝕，也會(huì)造成換熱管接頭處泄漏。管子與管板焊接結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是具有排列緊密的小圓形單道焊縫，管板較厚，如果焊接工藝不當(dāng)，就易造成焊縫根部夾渣、熔合不良、裂紋、氣孔等焊接缺陷。在運(yùn)行過程中這些缺陷受到交變應(yīng)力的影響便會(huì)擴(kuò)展，使泄漏通道擴(kuò)大，導(dǎo)致泄漏。這已成為換熱器失效的普遍原因。

（2）管束振動(dòng)，介質(zhì)垂直于管束橫向流動(dòng)是流體誘發(fā)振動(dòng)的主要根源，如果流入殼程的是氣體，在與流動(dòng)方向及管子軸線都垂直的方向上將形成聲學(xué)駐波。當(dāng)聲學(xué)駐波的頻率與卡曼旋渦頻率和紊流抖振主頻率一致時(shí)，還會(huì)激發(fā)產(chǎn)生聲學(xué)駐波振動(dòng)。在操作過程中，管束振動(dòng)將引起管板與管子之間的熔敷金屬中存在的氣孔和其他缺陷擴(kuò)大或擴(kuò)展，發(fā)展到一定程度時(shí)這些缺陷就會(huì)被擊穿或?qū)е缕陂_裂。振動(dòng)與換熱器管子的固有頻率有關(guān)，而固有頻率與管束的結(jié)構(gòu)、尺寸有關(guān)，因此換熱器本身的設(shè)計(jì)缺陷是導(dǎo)致管束振動(dòng)的原因。 采用強(qiáng)度脹接的換熱器在脹接時(shí)，管板與換熱管應(yīng)有適當(dāng)?shù)挠捕炔?，否則管子回彈大于管板，造成脹接不緊。另外，當(dāng)管子外徑與管板管孔之間的間隙較大時(shí)，要達(dá)到脹緊目的，管子就必須有較大的變形量。管子在脹接變形量增加的同時(shí)，其硬度也隨之增加，從而使換熱管的硬度更加大于管板硬度，導(dǎo)致脹接更加不緊。

（3）溫差應(yīng)力及熱疲勞 ，換熱器在石化行業(yè)中應(yīng)用非常廣泛，蒸汽發(fā)生器、再沸器、鍋爐給水預(yù)熱器等都是典型的換熱設(shè)備。大多數(shù)換熱器在運(yùn)行過程中，管殼程流體之間都存在著一定的溫差，多管程的換熱器各程換熱管之間也存在著較大的溫差，溫差導(dǎo)致管板兩側(cè)和換熱管之間產(chǎn)生溫差應(yīng)力。當(dāng)溫差應(yīng)力達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，金屬便會(huì)產(chǎn)生塑性變形和蠕變。如果換熱器的操作溫度周期性地變化，或者操作工況為反復(fù)加壓、升溫和卸壓、降溫的過程，那么熱應(yīng)力反復(fù)變化會(huì)使設(shè)備產(chǎn)生熱疲勞。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，很多煉油部門的蒸汽發(fā)生器都是由于這種原因而泄漏失效的。

（4）操作因素，換熱器在運(yùn)行過程中，由于生產(chǎn)工藝本身的特點(diǎn)或者由于工藝操作不規(guī)范導(dǎo)致介質(zhì)壓力不穩(wěn)，溫度驟變引起沖擊熱應(yīng)力。這種操作壓力和溫度的瞬間波動(dòng)將導(dǎo)致管板法蘭密封面上墊片的壓緊力發(fā)生變化，反復(fù)循環(huán)，致使法蘭螺栓松動(dòng)，密封失效。熱沖擊是以極大的速度和沖擊形式施加的，造成比熱疲勞更大的溫度梯度，可以使材料失去延性，發(fā)生脆斷。目前煉油三部油漿蒸汽發(fā)生器泄露，除了質(zhì)量上我們不能做到完全控制，我們在操作上是不是嚴(yán)格按照升溫曲線和操作程序來的，投用不到半年，發(fā)生大面積泄露，要找原因，防止此類事件再次發(fā)生。

綜上所述，導(dǎo)致?lián)Q熱器發(fā)生泄漏的原因可能在設(shè)計(jì)、制造和使用三個(gè)環(huán)節(jié)中的某個(gè)環(huán)節(jié)，也可能是二個(gè)或多個(gè)環(huán)節(jié)共同作用的結(jié)果。

3.3 清洗

換熱器運(yùn)行一段時(shí)間或一個(gè)周期，就要進(jìn)行清洗，換熱器循環(huán)冷卻水中含有大量的鹽類物質(zhì)、腐蝕產(chǎn)物和各種微生物，由于未對其進(jìn)行水處理，換熱器運(yùn)行一段時(shí)間后水側(cè)會(huì)結(jié)有大量的鈣鎂碳酸鹽垢及藻類、微生物淤泥、粘泥等，這些污垢牢固附著于內(nèi)表面，導(dǎo)致傳熱惡化、循環(huán)壓力上升、機(jī)組真空度降低，影響機(jī)組的運(yùn)行效率，造成較大的經(jīng)濟(jì)損失。

（1）清洗原理，鈣鎂碳酸鹽水垢易溶于強(qiáng)酸，反應(yīng)放出二氧化碳?xì)怏w，生成易溶于水的物質(zhì)而達(dá)到清洗除垢的目的，其溶解反應(yīng)方程式為：

↑CaCO3+2H+=Ca2++H2O+CO2，Mg（OH）2+2H+=Mg2++2H2O，在清洗過程中，H+ 會(huì)對金屬機(jī)體產(chǎn)生腐蝕，并出現(xiàn)氫脆現(xiàn)象，因此清洗劑中要加入相應(yīng)的緩蝕劑；溶解產(chǎn)生的Fe3+、Cu2+等氧化性離子會(huì)造成金屬機(jī)體的點(diǎn)蝕、鍍銅等現(xiàn)象，因此清洗液中還需加入掩蔽劑。

（2）換熱器化學(xué)清洗、預(yù)膜處理，化學(xué)清洗流程：試 壓→水沖洗→酸洗除垢→水沖洗→鈍化預(yù)膜。試壓的目的是為了在模擬狀態(tài)下對清洗系統(tǒng)的泄漏情況進(jìn)行檢查。 水沖洗，水沖洗的目的是清除設(shè)備內(nèi)松散的污物，當(dāng)出口處沖洗水目測無大顆粒雜質(zhì)存在時(shí)，水沖洗結(jié)束。水沖洗結(jié)束后，在清洗槽內(nèi)循環(huán)添加換熱器清洗劑，控制清洗主劑濃度在3～10%、于系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行循環(huán)清洗去污，清洗時(shí)間8 ～12小時(shí)，定時(shí)取樣分析清洗主劑的濃度，當(dāng)其濃度在2 小時(shí)內(nèi)趨于穩(wěn)定值且清洗系統(tǒng)內(nèi)沒有氣體放出時(shí)，結(jié)束酸洗過程。清洗工序完成后，進(jìn)行水沖洗。開啟系統(tǒng)的循環(huán)泵用工業(yè)水置換排出廢酸溶液，沖洗殘留淤泥及殘?jiān)?，同時(shí)在排污池中用NaOH對廢液進(jìn)行中和處理（pH值5～9）。當(dāng)出口處目測雜質(zhì)不多時(shí)、且pH值大于5時(shí)結(jié)束水沖洗。鈍化處理，水沖洗合格后，循環(huán)添加2-3%（重量）的換熱器鈍化劑進(jìn)行化學(xué)預(yù)膜處理，來提高管束的耐腐蝕性能。待整個(gè)系統(tǒng)溶液濃度混合均勻后停止循環(huán)，浸泡8～10小時(shí)。然后將鈍化液排放用鹽酸中和（pH值5～9），清洗過程結(jié)束。

（3）清洗效果 清洗結(jié)束后，從清洗槽中取出監(jiān)視管觀察，管內(nèi)、外表面應(yīng)潔凈，無殘留污垢、無點(diǎn)蝕、無脫鋅腐蝕等現(xiàn)象，目測除垢率應(yīng)為100%；

整個(gè)清洗過程完成后，打開換熱器觀察，被清洗的管束表面應(yīng)清潔、污垢無殘留，設(shè)備洗凈率應(yīng)≥98%，化學(xué)清洗后，換熱器的管線幾乎沒有發(fā)生泄漏。

（4）廢液處理，上述工程廢液不經(jīng)處理，不能排放，否則將造成安全隱患，同時(shí)造成環(huán)境的污染，有害物質(zhì)的含量要降到最低，各項(xiàng)指標(biāo)均能達(dá)到環(huán)保排放指標(biāo)。

（5）施工注意事項(xiàng)

①施工人員進(jìn)入現(xiàn)場必須按規(guī)定戴好勞保用品，需要穿膠鞋、膠皮手套、口罩及眼罩；

②施工現(xiàn)場要有良好的通風(fēng)，操作現(xiàn)場要有方便、充足的水源。

③在搬運(yùn)有腐蝕性的藥品時(shí)，應(yīng)盡量采用叉車等專用搬運(yùn)工具。嚴(yán)禁濺入眼、口、皮膚上。如誤觸，立即用大量清水沖洗，嚴(yán)重者，請立即就醫(yī)。

④施工藥品應(yīng)放在陰涼通風(fēng)處，并做好“危險(xiǎn)品勿動(dòng)”等醒目標(biāo)記。

石油化工行業(yè)離不開換熱器，在操作過程中，嚴(yán)格按照操作程序，保證設(shè)備長周期安穩(wěn)運(yùn)行，不污染環(huán)境。

【參考文獻(xiàn)】

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[責(zé)任編輯：曹明明]