海上平臺(tái)中央空調(diào)冷凝器穿孔分析與對(duì)策探討

張勇青，魏占彪，鄧 婷，王 雨

(1.海洋石油工程股份有限公司，天津 300451;2.中國(guó)石油青海油田公司，青海花土溝 736202)

海上平臺(tái)作為重要的深海開采裝備，其中央空調(diào)是保證平臺(tái)正常生產(chǎn)和人員生活的重要設(shè)施，中央空調(diào)的失效與否直接影響著平臺(tái)內(nèi)部機(jī)采設(shè)備的正常運(yùn)行以及實(shí)際作業(yè)人員的生活舒適程度。

1 問題的提出

某海上平臺(tái)A生產(chǎn)人員巡檢中央空調(diào)時(shí)，發(fā)現(xiàn)其冷水機(jī)組存在泄漏現(xiàn)象，表現(xiàn)為冷水機(jī)組內(nèi)氟利昂壓力下降迅速。現(xiàn)場(chǎng)初步判斷是冷水機(jī)組內(nèi)氟利昂通過冷凝器換熱管泄漏流失。

該冷凝器是管殼式換熱器，換熱管通過脹接的方式固定在管板上，管程介質(zhì)為海水，殼程介質(zhì)為制冷劑氟利昂。當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)打開冷凝器端蓋時(shí)，發(fā)現(xiàn)冷凝器殼程已經(jīng)滲入海水，經(jīng)過氮?dú)獯驂簷z漏，發(fā)現(xiàn)冷凝器內(nèi)部分銅管發(fā)生穿孔。

由于該冷凝器換熱管穿孔，海水進(jìn)入機(jī)組氟利昂系統(tǒng)，導(dǎo)致了冷水機(jī)組內(nèi)壓縮機(jī)、膨脹閥、電磁閥、干燥過濾器以及部分傳感器和閥件發(fā)生不同程度損壞，機(jī)組無(wú)法運(yùn)轉(zhuǎn)。

2 失效原因分析

2.1 換熱管材質(zhì)分析

該冷凝器換熱管采用B30白銅制作，B30白銅是一種可靠性很高的材料，在換熱管制作過程中，如果B30白銅的成分不符合標(biāo)準(zhǔn)，最容易出現(xiàn)腐蝕穿孔。

為檢測(cè)冷凝器換熱管材質(zhì)組成是否符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，第三方實(shí)驗(yàn)室采用掃描電鏡及能譜儀對(duì)損壞樣品進(jìn)行了能譜分析，分析結(jié)果表明，樣品所含合金元素及含量符合GB/T 5231—2001中B30白銅要求，如表1所示。

表1 樣品所含合金元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)能譜分析結(jié)果 %

2.2 換熱管壁厚分析

該冷凝器換熱管名義厚度為2 mm，為校核該換熱管內(nèi)壓及外壓是否滿足設(shè)計(jì)要求，換熱管廠家依據(jù)GB151—2014標(biāo)準(zhǔn)采用過程強(qiáng)度計(jì)算sw6軟件進(jìn)行了校核計(jì)算，校核結(jié)果表明，換熱管壁厚滿足設(shè)計(jì)要求過程設(shè)備強(qiáng)度計(jì)算。

2.3 高速海水沖刷分析

鐵白銅抗高速海水沖擊腐蝕的能力較差。如果某些換熱管內(nèi)海水流速超過某一臨界值時(shí)，銅的保護(hù)膜遭到破壞，高速海水使銅的腐蝕速率急劇升高，換熱管的破壞概率迅速增加。

1)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研實(shí)測(cè)數(shù)據(jù):該平臺(tái)冷水機(jī)組 (雙系統(tǒng)均100%滿負(fù)荷)海水實(shí)際進(jìn)、出口溫差約為1℃，計(jì)算流量為660 m3/h，遠(yuǎn)超設(shè)計(jì)流量 (165 m3/h)，計(jì)算過程如下:

式中:Qm為冷卻水流量，m3/h;Q為機(jī)組冷凝負(fù)荷，kW;Cp為水的比熱容，J/(kg·℃);Δt為冷卻水進(jìn)出水溫差，℃。

該海水冷凝器內(nèi)換熱管數(shù)量為152根，單根換熱管規(guī)格為:D 15.88 ×2.0 mm; 內(nèi)徑r為5.94 mm。

換熱管截面積:S=π×r2=3.14×5.942×152×10－6=0.017 m2。

管內(nèi)海水流速:v=Qm/S=660/0.017/3 600=10.78 m/s(船舶設(shè)計(jì)手冊(cè)推薦管內(nèi)流速在1.5 m/s～2.5 m/s)。

2)原因分析。該平臺(tái)中央空調(diào)制冷劑冷卻系統(tǒng)采用開式海水冷卻，首先海水通過海水提升泵加壓后，流經(jīng)海水濾器過濾海水中自帶的懸浮雜質(zhì)等顆粒物，過濾后的海水通過材質(zhì)為玻璃鋼的并聯(lián)管線，最終流向中央空調(diào)冷水機(jī)組的管殼式冷凝器中，在冷凝器中低溫海水與高溫制冷劑氣體進(jìn)行熱交換，熱交換后的高溫海水直接排海 (高溫制冷劑氣體冷凝變?yōu)槌匾后w進(jìn)入后續(xù)制冷循環(huán))，見圖1。

為找出海水流量超設(shè)計(jì)的原因，經(jīng)過分析整個(gè)海水系統(tǒng)后發(fā)現(xiàn)，海水濾器各下游用戶均是并聯(lián)布置。并聯(lián)管路具有如下特點(diǎn)。

1)主管的質(zhì)量流量等于各分支管路質(zhì)量流量之和。

2)各分支管路的阻力相等。各分支管路的阻力由管道摩擦系數(shù)、管道長(zhǎng)度和直徑、流體流速?zèng)Q定。該平臺(tái)中央空調(diào)冷水機(jī)組布置與其他常規(guī)項(xiàng)目有區(qū)別，冷水機(jī)組與海水提升泵均位于18.5 m甲板，海水經(jīng)過冷水機(jī)組換熱后直接匯入排海管線。

按照海水系統(tǒng)的工藝方案，并聯(lián)管路中各設(shè)備進(jìn)口海水壓力均為650 kPaG，出口直接排海，所以海水余壓需要全部消耗在設(shè)備、管線上部閥門和管線彎頭等附件上。

圖1 中央空調(diào)海水冷卻流程圖

18.5 m甲板是整個(gè)平臺(tái)的最下層甲板，且冷水機(jī)組與海水提升泵均布置于該層，相對(duì)海水系統(tǒng)其他設(shè)備用戶，中央空調(diào)的海水入口管線和出口管線長(zhǎng)度均相對(duì)較短，管路彎頭等附件較少。因廠家反饋中央空調(diào)內(nèi)部冷凝器流動(dòng)阻力約為80 kPa，故絕大部分海水余壓需要消耗在中央空調(diào)入口青銅截止閥上，否則該空調(diào)海水分支將在運(yùn)行過程中自行分配得到更多的流量，以便增大該分支流動(dòng)阻力保證各并聯(lián)管路的阻力相等。

經(jīng)過與該平臺(tái)生產(chǎn)人員確認(rèn)，中央空調(diào)進(jìn)出口青銅截止閥從未進(jìn)行過調(diào)節(jié)，日常運(yùn)行過程中均是全開狀態(tài)，閥門位置詳見圖2。

圖2 中央空調(diào)冷水機(jī)組總橇圖

根據(jù)上述分析，中央空調(diào)冷水機(jī)組海水流量存在超設(shè)計(jì)的可能性。

3)失效原因驗(yàn)證。為驗(yàn)證上述原因，經(jīng)過查找發(fā)現(xiàn)海上平臺(tái)B與海上平臺(tái)A中央空調(diào)各項(xiàng)配置均完全一致。

但A平臺(tái)中央空調(diào)冷凝器頻繁出現(xiàn)泄漏，但B平臺(tái)中央空調(diào)自交付使用至今，從未出現(xiàn)過泄漏。兩座平臺(tái)的中央空調(diào)配置對(duì)比如表2。

表2 不同平臺(tái)空調(diào)配置對(duì)比圖

經(jīng)過與B平臺(tái)生產(chǎn)人員確認(rèn)，B平臺(tái)生產(chǎn)人員維護(hù)過程中經(jīng)常手動(dòng)調(diào)節(jié)中央空調(diào)入口青銅截止閥，以便降低截止閥后中央空調(diào)入口海水壓力。

根據(jù)上述理論分析以及類似平臺(tái)對(duì)比，判斷中央空調(diào)海水冷凝器腐蝕穿孔主要是冷卻海水流量超過設(shè)計(jì)值，導(dǎo)致?lián)Q熱管內(nèi)海水流速超過最大允許流速。高速海水沖刷導(dǎo)致銅管表面的氧化層遭到破壞，由于海水中含氧量不足或流速過高、管內(nèi)污垢積累等因素導(dǎo)致管壁氧化鈍化層無(wú)法自行恢復(fù)，使換熱管內(nèi)局部發(fā)生點(diǎn)蝕直到穿孔。

3 解決措施探討

3.1 換熱管維修措施

為保證海水冷凝器的正常使用，現(xiàn)場(chǎng)首先使用內(nèi)窺鏡初步標(biāo)記穿孔的換熱管，然后對(duì)穿孔換熱管進(jìn)行氮?dú)獗簻y(cè)試 (1.5 MPa)，最終確定共有82根換熱管存在穿孔問題。

針對(duì)穿孔的換熱管，現(xiàn)場(chǎng)將其更換為相同規(guī)格材質(zhì)的換熱管脹接在原管板上，同時(shí)更換后的管殼程換熱器管程采用鹽水 (與海水鹽度相同)浸泡48 h，然后對(duì)管程和殼程進(jìn)行保壓測(cè)試 (管程試驗(yàn)壓力1.38 MPa;殼程試驗(yàn)壓力2.76 MPa)，檢測(cè)合格后的換熱器回裝至中央空調(diào)內(nèi)部。

3.2 海水流量控制措施

為從源頭解決海水冷凝器換熱管穿孔問題，需對(duì)中央空調(diào)海水入口分支進(jìn)行改造。針對(duì)中央空調(diào)已經(jīng)投入生產(chǎn)，為減少現(xiàn)場(chǎng)改造工作量，方案確定為在中央空調(diào)海水進(jìn)口管線增加節(jié)流孔板和隔離球閥以便起到控制海水流量的作用，節(jié)流孔板材質(zhì)為蒙乃爾，節(jié)流孔板安裝位置需保證與中央空調(diào)機(jī)組之間的直管長(zhǎng)度不小于管線直徑的5倍。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)某海上平臺(tái)存在的中央空調(diào)冷凝器穿孔問題，探討了冷凝器換熱管穿孔的原因，并通過對(duì)相關(guān)解決措施的探討，為今后類似海上平臺(tái)的暖通空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了一定的借鑒指導(dǎo)作用。