南堡聯(lián)合站換熱器泄漏原因研究及對策

申剛 薄會志 陳立濤 胡彩云

摘 要：本文針對冀東油田南堡聯(lián)合站換熱器內(nèi)漏現(xiàn)狀，重點對維溫換熱器、壓縮機后水冷器和脫乙烷塔頂換熱器泄漏問題進行了深入分析，從工作介質、換熱器材質和日常操作等方面找出了產(chǎn)生問題的主要原因，并有針對性的提出了改進措施，取得了良好的效果。

關鍵詞：換熱器；應力；穿孔；腐蝕；改進措施

冀東油田南堡聯(lián)合站自2009年投產(chǎn)至今，大型換熱器發(fā)生內(nèi)部泄漏4次，其中維溫換熱器內(nèi)部管束泄漏1次，壓縮機后水冷器內(nèi)部管束穿孔2次，脫乙烷塔頂換熱器內(nèi)部泄漏1次。

1 維溫換熱器內(nèi)漏問題研究（U形管換熱器）

南堡聯(lián)合站維溫換熱器于2009年投入使用，2011年發(fā)現(xiàn)內(nèi)部管束泄漏。其管程運行介質為180℃左右的導熱油，殼程介質為40℃左右含水約20%的原油。維溫換熱器屬于U形管換熱器，其內(nèi)部結構如圖1所示。

1.1 維溫換熱器管程外壁的腐蝕條件

換熱管冷彎時的熱塑性變形，在U形管彎管處外緣存在著較大的殘余拉應力，同時U形管下直管段及彎管處存在著較大的由于溫差產(chǎn)生的拉應力。

1.2 應力腐蝕開裂

在換熱盤管處于拉應力情況下，又與腐蝕介質Cl-相接觸，經(jīng)過一段時間后，材料內(nèi)部的微裂紋在拉應力及腐蝕介質的雙向作用下擴展，并發(fā)展到整個斷面從而引起應力腐蝕。應力腐蝕可以將裂縫的發(fā)生和發(fā)展分為三個階段：金屬表面生產(chǎn)鈍化式保護膜；膜局部破裂，形成蝕孔式裂縫源；裂縫向縱深發(fā)展。前兩個階段，腐蝕都是在一個對流不通暢、閉塞的微區(qū)內(nèi)進行，通稱為閉塞電池腐蝕。

2 壓縮機后水冷器內(nèi)部管束穿孔問題研究（固定管板式換熱器）

壓縮機后水冷器是固定管板式換熱器，由管箱、殼體、管板、管子等零部件組成，其結構較緊湊，管排較多，在相同直徑下?lián)Q熱面積較大，具體構造見圖4。

2.1 運行介質分析

南堡聯(lián)合站壓縮機后水冷器于2011年6月和2013年5月分別發(fā)生穿孔泄漏，該換熱器材質為20#低碳鋼。

2.2 硫化氫在潮濕環(huán)境下的電離

干燥的硫化氫對金屬材料無腐蝕破壞作用，硫化氫只有溶解在水中才具有腐蝕性。硫化氫易溶于水，一旦溶于水，便立即電離，其水溶液具有酸性。硫化氫在水中的離解反應式為：H2S=H++HS-HS-=H++S2-。

2.3 硫化氫對水冷器管程外壁的腐蝕

在潮濕硫化氫環(huán)境下，水冷器管程外壁就會發(fā)生如下反應：

以上過程就造成了硫化氫溶液對水冷器管程外壁的腐蝕。

2.4循環(huán)水對水冷器管程內(nèi)壁腐蝕的影響

對南堡聯(lián)合站循環(huán)水取樣分析可知，循環(huán)水中含有較多的K+、Na+、Ca+等陽離子和HCO3-、CO32-等陰離子。正常情況下CaCO3 與Ca（HCO3）2存在著以下動態(tài)平衡關系：

CaCO3+CO2+H2O Ca（HCO3）2

在循環(huán)水冷卻過程中，容易使二氧化碳散失，因此上述平衡將向生成碳酸鈣的方向移動，而碳酸鈣的溶解度遠遠小于碳酸氫鈣的溶解度。

3 脫乙烷塔頂換熱器穿孔問題研究（板翅式換熱器）

脫乙烷塔頂換熱器屬于板翅式換熱器，其主要由多層通道疊加而成，每層通道中部是翅片、四周是封條、流體的進出口處為導流片，層與層之間是隔板。

3.1 脫乙烷塔頂換熱器泄漏原因分析

一般板翅式換熱器泄漏原因有三方面：焊接質量、各種腐蝕和應力過大造成拉裂。下面對以上三種情況進行分析研究。

（1）經(jīng)過查找換熱器設計說明書可知換熱器出廠前經(jīng)過嚴格的試驗未發(fā)現(xiàn)異常，且經(jīng)過前幾年的使用均未發(fā)現(xiàn)異常，因此焊接質量問題可以排除。

（2）通過對換熱器管道的研究，未發(fā)現(xiàn)明顯的硫化氫或者其它腐蝕現(xiàn)象，因此，腐蝕問題基本可以排除。

（3）按照由國家能源局發(fā)布的NB/T47006-2009《鋁制板翅式熱交換器》標準要求：內(nèi)部熱應力的增加不應超過材料的強度極限，在可接受的限度之內(nèi)，穩(wěn)定狀態(tài)下的鋁制換熱器通道之間（同一截面）的最大推薦允許溫差為50℃，但在有相變流體以及在瞬間循環(huán)的條件下，推薦溫差為20～30℃；同一流體的溫度變化率應小于50℃/h。特別是在裝置啟運程中應當注意，在使用過程中換熱器溫升（或溫降）不能過快，溫度變化應該控制在2℃/分鐘以內(nèi)，以避免熱應力沖擊破壞換熱器。

4 換熱器泄漏問題解決措施

4.1 維溫換熱器

投運前確保先投運冷介質，后投運熱介質，且投運熱介質過程中注意控制溫升速度，以不超過2℃/分鐘為準。

4.2 壓縮機后水冷器

建議對壓縮機后水冷器更換為耐硫化氫腐蝕的不銹鋼材質。

4.3 脫乙烷塔頂換熱器

2012年底，南堡聯(lián)合站對脫乙烷塔頂氣相流程進行改造，將脫乙烷塔氣相進重接觸塔管線上單流閥改為氣動調(diào)節(jié)閥，通過調(diào)節(jié)脫乙烷塔頂氣流的流速從而控制重接觸塔頂氣相出冷箱溫度。

5 總結

本文重點闡述了維溫換熱器、壓縮機后水冷器、脫乙烷塔頂換熱器的工作原理并重點分析了其泄漏的原因，針對不同的原因提出了改進措施，并在實踐中檢驗是可行的，希冀能夠對換熱器安全運行有一定的指導作用。

參考文獻

[1] 孫道青，張增芳.換熱器泄漏簡易判斷方法[J].中國海上油氣.2011（01）.