板式換熱器內(nèi)漏故障分析與處理

李佳濤，張永謀

板式換熱器內(nèi)漏故障分析與處理

李佳濤，張永謀

（本溪鋼鐵集團公司氧氣廠，遼寧本溪117002）

板式換熱器流程制氧機在日常生產(chǎn)過程中發(fā)生氮氣產(chǎn)品純度超標現(xiàn)象。經(jīng)過分析和推斷，確定了導致該現(xiàn)象發(fā)生的根本原因是板式換熱器內(nèi)部泄漏。根據(jù)生產(chǎn)和設備實際情況，制定并實施了切實可行的板式換熱器處理修復方案，最終取得了較好的運行效果。

板式換熱器；內(nèi)部泄漏；氮氣純度；超標

1 引言

本鋼氧氣廠4#制氧機（以下簡稱4#機）投產(chǎn)于1988年，屬于采用德國林德公司技術設計制造的國產(chǎn)杭氧公司設備，采用可逆式板式換熱器切換制氧流程，氧氣和氮氣產(chǎn)量均為10000 m3/h全低壓全提取空分裝置。目前為止該機組已經(jīng)運行25年，雖然經(jīng)過了兩次大修，但由于設備老化，經(jīng)常發(fā)生一些故障。

2 故障現(xiàn)象

2013年10月21日10時轉4#機進行空分系統(tǒng)開車，23日15時40分氧氣合格送入管網(wǎng)，15時50分氮氣合格（機組純度表顯示含氧10×10-6以下）送入管網(wǎng)，但之后氮氣管網(wǎng)系統(tǒng)純度發(fā)生波動，4#氮壓機出口氮氣含氧20×10-6～50×10-6。24日14時19分4#氮壓機出口氮氣含氧達到100×10-6，廠調果斷指揮將4#機氮氣產(chǎn)品切除管網(wǎng)，之后管網(wǎng)系統(tǒng)氮氣純度逐漸趨好，半小時左右恢復正常。

3 原因分析

通過上述現(xiàn)象進行分析和推斷，加之此前化驗人員曾多次反映4#機氮氣產(chǎn)品每次送入管網(wǎng)后均會造成管網(wǎng)系統(tǒng)氮氣純度波動，當4#機停運或氮氣產(chǎn)品切除后管網(wǎng)系統(tǒng)氮氣純度又重新恢復正常，因此重點在以下幾個方面著手進行分析排查，制定切實可行的處理方案，為供氮系統(tǒng)恢復正常創(chuàng)造條件。

3.1 空分系統(tǒng)內(nèi)外部連接管道和機組內(nèi)部氮壓機影響因素排查

對4#機空分系統(tǒng)的低壓氮氣輸送管道相關聯(lián)的一些管道和機組內(nèi)部的氮壓機的一些儀表管和密封氣管進行了逐一排查，完全切除了機組內(nèi)部和外部管道之間的關聯(lián)，之后經(jīng)過檢測分析，出冷箱氮氣純度沒有發(fā)生明顯好轉趨勢，因此排除了外界因素干擾。

3.2 精餾系統(tǒng)和液化器排查

經(jīng)過檢驗和空分人員的詳細排查，由于氮氣出冷箱的純度分析點在放空閥之后，取樣點的氣量不足，因此日常氮氣純度數(shù)值采用了下塔液氮的純度AI2-2進行參考。經(jīng)過反復核實，下塔液氮純度為含氧10×10-6以下，該指標正常。然后分別對出塔氮氣純度AE32和液氮液化器之后的氮氣純度AE33分別進行了化驗分析，純度均顯示正常，可以判定空分精餾塔和液化器沒有問題，需要對液化器之后的板式換熱器以及一些相關管道進行排查確認，因此在出冷箱氮氣管道的壓力點PI14進行取樣分析，發(fā)現(xiàn)氮氣含氧在150×10-6～350×10-6之間波動。

3.3 板式換熱器成為重點懷疑對象

通過上述數(shù)據(jù)檢測和分析，將重點懷疑的區(qū)域范圍進一步縮小至板式換熱器部分。

4 故障排查

4.1 板式換熱器工藝流程簡介

空氣再經(jīng)過空壓機壓縮后進入空氣預冷系統(tǒng)（空冷塔），然后經(jīng)過空氣切換閥進入板式換熱器，隨著膨脹機產(chǎn)生的冷量不斷降低板式換熱器溫度，當溫度降至-60℃時空氣中水分基本全部被凍結在換熱器內(nèi)部翅片上，當溫度降至-165℃時空氣中二氧化碳也基本全部被凍結在換熱器內(nèi)部翅片上。通過板式換熱器前部切換閥的定期切換，周期性改變正流空氣和返流污氮的通道，利用返流污氮將凍結在板式換熱器內(nèi)部的水分和二氧化碳清除掉，達到自清除目的。

4.2 板式換熱器部分工藝流程（如圖1所示）

圖1 4#制氧機板式換熱器部分工藝流程簡圖

4.3 板式換熱器外部宏觀組成

板式換熱器分兩大組六個單元，每個單元又分為上下兩個相同獨立部分，即冷段和熱段，每個單元冷熱段通過各種氣體管道相連通。按照空氣在板式換熱器的溫度梯度，將換熱器的冷段和熱段又分為冷端和熱段。板式換熱器內(nèi)部各組分通道之間采用叉流翅片式換熱形式。

4.4 板式換熱器宏觀結構及氣流走向

4.4.1板式換熱器工藝管道整體布局

每個單元的板式換熱器冷段和熱段結構基本相同，換熱器本體為長方體，在塔內(nèi)呈立式并排安裝。換熱器上下水平端面分別并列焊接兩個相同規(guī)格的封頭，分別走空氣和污氮，如一側走空氣，另一側走污氮，氣路由切換系統(tǒng)決定。氮氣和氧氣封頭分別焊接在換熱器端頭平面以下?lián)Q熱器本體端頭前后對稱垂直表面。每個封頭中部分別與相應氣體支管焊接，其中空氣和污氮封頭呈對角線布置，氮氣和氧氣也呈對角線布置。其他品種氣體管道封頭與換熱器本體連接型式由于與本文論述內(nèi)容無關，這里不再贅述，在圖1中也不進行描繪。

4.4.2各種主要氣體管道宏觀布局及氣流走向形式（如圖2、圖3所示）

圖2 4#制氧機板式換熱器R4～R6單元整體外形結構簡圖

圖3 板式換熱器通路采用多流體形示意圖

4.5 板式換熱器泄漏排查過程

4.5.1空分系統(tǒng)生產(chǎn)時切換閥開關組合方式如表1

表1 空分系統(tǒng)生產(chǎn)時切換閥開關組合方式

4.5.2檢測方法與數(shù)據(jù)確認

經(jīng)過廠內(nèi)有關人員前期分析判斷，決定對氮氣產(chǎn)品出六個板式換熱器單元的熱端支管上開孔檢測純度，從10月25日至31日反復通過移動式氮氣純度分析儀對板式換熱器各單元的氮氣純度進行檢測，具體純度情況如表2所示。

表2 板式換熱器各單元氮氣純度

4#機正常生產(chǎn)時氮氣純度（含氧）在10×10-6以下。通過以上數(shù)據(jù)分析對比，判斷4單元和5單元有泄漏情況，5單元相對較嚴重，由于6單元支管處于4單元和5單元氮氣進入?yún)R集總管之后的通道上，因此6單元氮氣純度有些偏高主要受到4、5單元泄漏影響。由于各單元氮氣均匯集混合在一起進入出口總管，因此4、5單元泄漏對1、2、3單元氮氣純度也造成了一定影響。

4.5.3判斷板式換熱器泄漏單元具體部位

首先對空分塔內(nèi)板式換熱器側冷箱進行了扒砂，第一步將珠光砂扒至板式換熱器冷段和熱段的結合部位。由于換熱器冷段的冷段經(jīng)受低溫，懷疑其損壞的可能性較大，開始重點排查換熱器的冷段。經(jīng)過反復研究論證，最終決定將R4和R5兩個單元冷段的冷端和熱端的氮氣支管分別切割一道縫隙，分別插上堵板。

起初制定了兩套試壓查漏方案：一是利用儀表風機進行試壓查漏；二是利用空壓機進行試壓查漏。由于儀表風機風量小，試壓查漏效果不理想，因此選擇啟動空壓機進行試壓查漏。

啟動空壓機前，首先關閉空氣進出板式換熱器相關閥門以及氮氣總管輸送閥門，打開空氣回路旁通閥V26（空氣出板式換熱器后直接返至污氮通道），切換閥采用人為控制方式分組進行試驗，投運空氣預冷系統(tǒng)和干燥器，然后啟動空壓機并將其出口壓力設為0.52 MPa，利用干燥器后的不飽和空氣對板式換熱器R4和R5兩個單元進行試壓查漏。最終經(jīng)過反復試驗確認，發(fā)現(xiàn)上述兩個單元冷段的熱端堵板以下的換熱器有氣流吹出，判斷兩個單元的熱段泄漏。因此需要將板式換熱器冷箱內(nèi)剩余的珠光砂全部扒凈，再想辦法查找換熱器內(nèi)部哪些通道有泄漏，以便采取合理的封堵措施。

4.5.4板式換熱器內(nèi)部具體通道查漏

首先把R4和R5兩個單元熱段的冷端封頭分別切割開，但發(fā)現(xiàn)每個單元的13個氮氣通道基本全有氣體排出。經(jīng)過進一步分析，空氣泄漏到氮氣通道后進入板式換熱器出口氮氣總管，由于出口閥門處于關閉狀態(tài)，泄漏的氣體又返頂回換熱器內(nèi)部的各個通道內(nèi)，因此出現(xiàn)上述現(xiàn)象。之后又將R4和R5兩個單元熱段的熱端兩個封頭切割開，避免泄漏的空氣通過出口總管返頂回換熱器其他通道。通過查找原始設計資料，板式換熱器每個單元分為114條通道，序號分別為0～113，其中氮氣通道有13條，分別與空氣和污氮相鄰。最終經(jīng)過機組人員反復仔細查漏，發(fā)現(xiàn)R4單元的13、21、67、93通道泄漏，R5單元的13、21通道泄漏，此外R4和R5兩個單元換熱器封頭襯板內(nèi)部下邊緣分別發(fā)現(xiàn)一處（通道66和67之間）和兩處漏點（通道13和21）。上述所有漏點綜合作用，對氮氣產(chǎn)品純度造成了較大影響。

5 故障處理

通過認真查閱設計資料和技術論證，并邀請4#機設計單位杭氧公司專家現(xiàn)場進行了技術交流和咨詢，由于設計方面考慮了一定的余量，采取板式換熱器修復措施不會對其正常生產(chǎn)運行產(chǎn)生太大的影響，對產(chǎn)量和換熱的影響也基本可以忽略不計，最終決定采取焊接手段對上述泄漏的6個氮氣通道和焊縫進行修復封堵。修復工作完成后，重新啟動空壓機進行了兩次仔細查漏，確認無問題后對前期切割開的板式換熱器封頭恢復焊接。冷箱裝砂結束后，12月10日14時58分轉4#機空壓機進行系統(tǒng)加熱，22時10分轉膨脹機，21時40分氧氣合格，22時氮氣含氧在10×10-6～20×10-6，純度合格可以送入管網(wǎng)，至此4#機板式換熱器內(nèi)部泄漏故障處理取得圓滿成功，達到了預期效果和目的。

6 經(jīng)驗總結和防范措施

（1）可逆切換式換熱器切換閥每180 s開關各一次，切換動作相當頻繁，特別在切換過程中由于氣流沖擊而產(chǎn)生交變應力，該應力主要集中作用在換熱器熱段的熱端，容易造成金屬結構變形和特性勞損，加之此類可逆切換式換熱器的使用壽命約為200萬次，目前屬于超期服役。

（2）板式換熱器的材質和焊接等方面也存在一些缺陷，從而影響使用周期。

（3）增加氮氣純度超標報警程序，在4#機計算機系統(tǒng)上增設氮氣純度聲光報警。

（4）加強4#機人員監(jiān)控和操作，化驗室增設了先進的氮氣純度分析儀，提高了化驗精確程度。

（5）從技術層面分析，雖然泄漏的氮氣通道得到了封堵，但由于返流氣體所攜帶的冷量有所減少，或多或少會對板式換熱器自清除效果有些影響，加之換熱器的其他類似部位也會存在泄漏隱患。從機組長期穩(wěn)定運行考慮，還應抓緊著手采購新?lián)Q熱器，以備不時之需。

7 結束語

通過對4#制氧機板式換熱器內(nèi)漏故障的處理，為后續(xù)的設備檢修贏得了寶貴時間，而且解決生產(chǎn)急需，同時提高了處理類似故障的能力，積累了寶貴經(jīng)驗，并為企業(yè)節(jié)約了成本。

Analysis and Treatment of Internal Leakage in Plate-Fin Heat Exchanger

LI Jiatao，ZHANG Yongmou
(Oxygen Generation Plant of Benxi Iron&Steel Group Company,Benxi,Liaoning 117021,China)

Nitrogen purity exceeds the standard during everyday production of oxygen generator using plate-fin heat exchanger process.Through analyzing and concluding,the basic cause of the problem was found to be an internal leakage in the plate-fin heat exchanger. Based on the actual condition of production and equipment,some practical restoration plan for the exchanger was drawn up and carried out,which has achieved good operation effect.

plate-fin heat exchanger；internal leakage；nitrogen purity;exceeding limit

TB66

B

1006-6764(2014)10-0026-03

2014－04－21

李佳濤（1978－），男，畢業(yè)于遼寧科技大學制冷與低溫技術專業(yè)，工程師，現(xiàn)從事生產(chǎn)技術管理工作。