低壓飽和蒸汽冷凝液管道泄漏原因探析

(開封龍宇化工有限公司，河南 開封 475200)

開封龍宇化工有限公司的聚甲醛裝置，設(shè)置了3臺(tái)由太原鍋爐集團(tuán)有限公司生產(chǎn)的低壓循環(huán)流化床飽和蒸汽鍋爐，正常運(yùn)行時(shí)兩開一備，單臺(tái)鍋爐額定蒸發(fā)量45t/h，主蒸汽溫度為194 ℃、壓力為1.27 MPa(g)。鍋爐飽和蒸汽通過DN500蒸汽母管送往各生產(chǎn)裝置，飽和蒸汽主要用于精餾塔再沸器、空氣加熱器、粉體螺旋干燥器、管道蒸汽伴熱、生產(chǎn)熱水系統(tǒng)配制、生活采暖系統(tǒng)換熱等。1.2 MPa(g)、0.4 MPa(g)飽和蒸汽換熱后，通過疏水器產(chǎn)生的冷凝液進(jìn)入閃蒸槽產(chǎn)生0.15 MPa(g)低階飽和蒸汽，閃蒸槽下部的冷凝液進(jìn)入蒸汽冷凝液儲(chǔ)槽后通過泵送往焚燒站余熱鍋爐、鍋爐除氧器、換熱器等進(jìn)行回收再利用。

經(jīng)常泄漏的飽和蒸汽冷凝液管道壓力為1.2 MPa(g)，采用材質(zhì)為20#鋼、管徑DN40、長度50m，位置位于單體、聚合兩個(gè)界區(qū)之間的上層管廊上，該段管道含彎頭15個(gè)，漏點(diǎn)主要分布在進(jìn)入閃蒸槽前的管道彎頭及其焊縫連接處，直管段很少出現(xiàn)此情況。雖然經(jīng)過多次焊接及帶壓堵漏處理，但一段時(shí)間以后仍然會(huì)出現(xiàn)泄漏的情況。由于該泄漏點(diǎn)位于裝置進(jìn)出口處，冷凝液溫度較高，一旦泄漏可能造成現(xiàn)場(chǎng)人員被高溫燙傷，存在較大安全隱患，必須對(duì)引起管道泄漏的原因進(jìn)行深入分析，拿出具體可行的措施，徹底解決該問題以消除安全生產(chǎn)隱患，減少蒸汽冷凝液損失。

1 泄漏原因分析

通過對(duì)該段冷凝液管道進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，管道彎頭數(shù)量較多(達(dá)15個(gè))，泄漏部位多位于管道的彎頭等形狀突變處或管道管件焊縫上，均為小的穿孔。在幾何形狀變化較大的部位存在較大的殘余應(yīng)力，使得其更易受機(jī)械(如水的湍流及因壓力、溫度變化引起的空泡)或化學(xué)物質(zhì)(如O2、CO2等)的作用而破壞，從而導(dǎo)致該部位更容易被腐蝕。另外，蒸汽管線疏水器效果不好導(dǎo)致冷凝液管線中存在氣液并存的兩相流狀態(tài)，水、汽隨著管內(nèi)壓力、溫度的波動(dòng)而相互轉(zhuǎn)化，對(duì)管道的沖刷也更加劇烈。蒸汽冷凝水在流動(dòng)過程中，因壓降而產(chǎn)生二次蒸汽，形成汽液混相流，當(dāng)流速增加或改變流向時(shí)會(huì)引起水擊，導(dǎo)致管道發(fā)生振動(dòng)甚至破裂。

1.1 氣蝕

在流動(dòng)過程中，隨著阻力增加，飽和狀態(tài)冷凝液壓力下降，出現(xiàn)較多的閃蒸汽，產(chǎn)生水錘現(xiàn)象，特別是管道彎頭部位，由于流體受到擾動(dòng)，金屬管道內(nèi)表面受到液滴的沖擊，形成蝕坑，嚴(yán)重時(shí)造成管道破壞。

1.2 沖蝕

管道彎頭處流體流速會(huì)發(fā)生變化，產(chǎn)生湍流現(xiàn)象，引起管道振動(dòng)較大，再加上長時(shí)間地沖刷腐蝕，導(dǎo)致作為薄弱環(huán)節(jié)的彎頭處首先變薄，出現(xiàn)穿孔情況，產(chǎn)生蒸汽泄漏。

1.3 缺陷

泄漏點(diǎn)大多發(fā)生在彎頭部位，彎頭泄漏點(diǎn)本身有焊接缺陷，存在局部應(yīng)力不均的情況，因腐蝕迭加、應(yīng)力集中所致。

1.4 故障

由于疏水器故障，會(huì)出現(xiàn)蒸汽帶入冷凝液的情況，周興東[1]等人的研究表明，蒸汽分子的冷凝必須克服擴(kuò)散傳質(zhì)阻力，進(jìn)入冷凝液管道的蒸汽冷凝下來需要克服一定阻力及此過程中產(chǎn)生的擾動(dòng)，會(huì)以水擊的形式顯現(xiàn)出來，管道彎頭、U形彎曲等管道流向改變處受到的沖擊力最大、最明顯。

2 對(duì)策

2.1 對(duì)現(xiàn)有管道布置進(jìn)行重新設(shè)計(jì)

在管線設(shè)計(jì)中，除必要的應(yīng)力彎曲外，還應(yīng)注意盡量減少U形彎和彎頭數(shù)量，改造后的管道整體平移。彎頭數(shù)量由15個(gè)減少到8個(gè)，極大降低了管道內(nèi)流體流動(dòng)擾動(dòng)狀態(tài)的變化，穩(wěn)定了流速，減少冷凝液對(duì)管道的沖擊。同時(shí)，在安裝管道時(shí)要順著流通的方向留有一定坡度，減少輸送距離，管道內(nèi)水的積存能及時(shí)疏導(dǎo)出去。

2.2 更換損壞的疏水閥

張曉晨[2]的研究表明，對(duì)于有一定流速的蒸汽冷凝過程，蒸汽在液滴-蒸汽界面處產(chǎn)生的界面切應(yīng)力是驅(qū)動(dòng)液滴內(nèi)部流動(dòng)的主要作用力，液滴受到蒸汽流動(dòng)的剪切作用，內(nèi)部存在明顯的漩渦流動(dòng)，并隨著蒸汽流速的增加，漩渦流動(dòng)的強(qiáng)度呈現(xiàn)正比例增加的趨勢(shì)。

因此，更換和修復(fù)漏汽的疏水閥，保證蒸汽疏水閥好用，避免汽水同走；消除疏水閥由于背壓過高或有異物導(dǎo)致的疏水不暢；做好管道的保溫，防止汽水同走蒸汽冷凝液管線導(dǎo)致的水擊現(xiàn)象；同時(shí)，在安裝管道時(shí)要順著流體流動(dòng)的方向留有一定的坡度，盡量避免管道內(nèi)水的積存，及時(shí)疏導(dǎo)冷凝下來的液體。

2.3 增大冷凝液管道管徑

蒸汽冷凝液管道、彎頭公稱直徑由DN40增大至DN50，冷凝液流速可降低60%，冷凝液壓力降減少，因流道走向發(fā)生變化而造成的沖擊力減弱。

2.4 增加冷凝液管道壁厚

提高管道、管件壁厚，由4.00 mm提高至5.0 mm，材料材質(zhì)使用優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼20#鋼替代Q235，提高了管道材質(zhì)的力學(xué)性能。在腐蝕裕量不變的情況下，能夠提高管道的使用年限。

2.5 優(yōu)化操作方式

開停車操作過程中，送汽和暖管時(shí)要緩慢，動(dòng)作不要過大；蒸汽及冷凝液管線投用前先從導(dǎo)淋進(jìn)行排氣、排水；保證冷凝液管線的壓力在飽和溫度以上，防止水擊現(xiàn)象的發(fā)生；穩(wěn)定冷凝液閃蒸槽壓力，預(yù)防冷凝水總管壓力過高或水流不暢；調(diào)整冷凝液管線進(jìn)閃蒸槽閥門開度，盡量讓冷凝液管線充滿液體；最高點(diǎn)設(shè)有1個(gè)排氣裝置，開車時(shí)排除積存在管道內(nèi)的空氣或其他氣體，以防止氣阻造成運(yùn)行失常。

另外，在2個(gè)裝置界區(qū)處增加截止閥，便于在不同區(qū)域泄漏時(shí)進(jìn)行隔離檢修，避免了停車檢修的風(fēng)險(xiǎn)，提高了生產(chǎn)裝置連續(xù)運(yùn)行能力。

2.6 提高焊接質(zhì)量

鋼材在高溫下受外力作用時(shí)，隨著時(shí)間的延長，緩慢而連續(xù)地產(chǎn)生變形；如果長期冷熱交替工作，在溫差變化引起的熱應(yīng)力作用下，材料內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生微小裂紋并不斷擴(kuò)展，最后導(dǎo)致破裂。其中，焊縫又是管道中的薄弱環(huán)節(jié)，更容易因焊接缺陷，外加受到溫度、應(yīng)力的作用遭到破壞。

因此，蒸汽冷凝液管道焊接時(shí)，應(yīng)提高焊接人員操作水平，優(yōu)化焊接工藝，做好焊接坡口處理，從而提升焊縫質(zhì)量，消除焊縫因自身缺陷造成的穿孔泄漏。另外，管道防腐保溫前進(jìn)行除銹，管道支吊架按照國家、行業(yè)有關(guān)管道施工驗(yàn)收規(guī)范進(jìn)行安裝。

3 改造效果

低壓飽和蒸汽冷凝液管道更換后，經(jīng)過近2年的運(yùn)行，未出現(xiàn)過管道、管件、焊縫等泄漏的情況，也未出現(xiàn)過水擊的情況，使用效果良好，達(dá)到了改造的預(yù)期目的。改造前，蒸汽冷凝液管線泄漏點(diǎn)較多，現(xiàn)場(chǎng)操作環(huán)境較差，進(jìn)出裝置區(qū)存在一定安全隱患，開封龍宇公司每年用于帶壓堵漏的費(fèi)用在2.1萬元左右，占用大量人力、物力、財(cái)力；改造后投入成本僅在3 000元左右，降低了維修費(fèi)用，同時(shí)減少了因管道泄漏造成的蒸汽損失，改善了現(xiàn)場(chǎng)操作環(huán)境，消除了安全隱患，保證了生產(chǎn)人員的安全。

4 結(jié)語

飽和蒸汽冷凝液管線改造要從設(shè)計(jì)時(shí)考慮好管道布置，在滿足生產(chǎn)工藝要求、熱應(yīng)力膨脹要求的前提下，按照經(jīng)濟(jì)適用的原則進(jìn)行材料選擇。管道布置走向在追求美觀、一致的同時(shí)，也要盡量減少彎頭和U形彎曲，縮短管線流程，降低管道阻力，必要時(shí)彎頭和U形彎曲處可適當(dāng)增加材質(zhì)厚度。最后，要做好管道保溫防腐和固定，優(yōu)化蒸汽冷凝液系統(tǒng)參數(shù)調(diào)整，保證疏水系統(tǒng)正常運(yùn)行；通過優(yōu)化開停車操作順序、強(qiáng)化操作、維護(hù)管理，消除了蒸汽冷凝液管線泄漏現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)了冷凝液管線長期、穩(wěn)定運(yùn)行。

[1]周興東，馬學(xué)虎，等.冷凝液運(yùn)動(dòng)行為強(qiáng)化含有不凝氣的蒸汽冷凝過程研究[J].高?；瘜W(xué)工程學(xué)報(bào)，2007，21(5):740-746.

[2]馬曉晨.蒸汽流動(dòng)作用下冷凝液滴內(nèi)部流動(dòng)及傳熱特性[D].北京：清華大學(xué)，2013.