循環(huán)水冷卻器泄漏原因分析及解決對(duì)策

李 良

（中國(guó)石油遼陽(yáng)石化分公司，遼寧遼陽(yáng) 111003）

0 引言

在石油化工行業(yè)，水冷器泄漏問(wèn)題普遍存在，原因多種多樣，包括設(shè)計(jì)、制造、安裝、運(yùn)行操作、維護(hù)保養(yǎng)等多個(gè)方面，給泄漏故障的原因分析及整改措施的制定帶來(lái)了困難。

某廠循環(huán)水冷卻器于2018 年9 月投用，2019 年12 月即發(fā)生內(nèi)漏。泄漏后車間對(duì)換熱器進(jìn)行了解體檢查及打壓堵漏，對(duì)泄漏管頭部位進(jìn)行了補(bǔ)焊處理。

1 設(shè)備及泄漏情況簡(jiǎn)介

換熱器名稱為熱媒水冷卻器，為Ф1224 mm×8340 mm 固定管板式兩管程換熱器（位號(hào)：E102B），總計(jì)管數(shù)為1018 根，管束材料為S30408，管板為厚度55+4 mm 的16Mn（Ⅲ）+S30408復(fù)合鋼板，管程和殼程的工作參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 換熱器管程和殼程的工作參數(shù)

2019 年12 月初，操作人員巡檢過(guò)程中發(fā)現(xiàn)熱媒水冷卻器E102A/B 運(yùn)行過(guò)程中有異響，關(guān)閉殼程熱媒水出入口閥門，打開(kāi)低排，發(fā)現(xiàn)殼程一直有水排出。對(duì)熱媒水冷卻器殼程內(nèi)的熱媒水進(jìn)行采樣分析，發(fā)現(xiàn)其電導(dǎo)率、總磷等指標(biāo)遠(yuǎn)高于熱媒水源頭來(lái)水處的分析結(jié)果，并且與循環(huán)水采樣分析結(jié)果接近。初步確定，該水冷器管束發(fā)生內(nèi)漏，導(dǎo)致循環(huán)水泄漏至熱媒水中。隨后，車間對(duì)換熱器進(jìn)行解體檢查、打壓堵漏，E102B 打壓堵管1 根、管頭補(bǔ)焊8 處，檢修后對(duì)管板進(jìn)行了滲透檢測(cè)。

2 工藝流程簡(jiǎn)介

該換熱器屬于余熱回收站系統(tǒng)設(shè)備，裝置自用熱單元來(lái)的熱媒水進(jìn)入余熱回收站，經(jīng)自清洗過(guò)濾器去除雜物、除油除鐵裝置旁濾去除水中油污和鐵質(zhì)后，進(jìn)入熱媒水冷卻器（E102A/B），采用循環(huán)冷卻水冷卻，采用氮?dú)饨?jīng)熱媒水定壓緩沖罐為循環(huán)系統(tǒng)定壓、補(bǔ)水，熱媒水壓力經(jīng)熱媒水循環(huán)泵升壓后，送至各取熱單元取熱，取熱后的熱媒水回至余熱回收站內(nèi)，進(jìn)入熱媒水加熱器，采用蒸汽補(bǔ)熱后再送至各用熱單元放熱降溫，降溫后的熱媒水再回至余熱回收站循環(huán)使用。

3 設(shè)備解體檢查及處理

3.1 結(jié)垢情況檢查

換熱器管箱打開(kāi)后進(jìn)行外觀檢查發(fā)現(xiàn)：管箱內(nèi)部及隔板處有較多生物黏垢，顏色呈紅褐色；循環(huán)水出水管板處結(jié)垢較為明顯，且存在生物黏泥；循環(huán)水進(jìn)水管束內(nèi)部結(jié)垢不明顯，循環(huán)水出水管束內(nèi)部結(jié)垢較多（圖1、圖2）。

圖2 管板處結(jié)垢情況

3.2 換熱器高壓水清洗情況

為防止換熱器發(fā)生垢下腐蝕，對(duì)管箱及管束進(jìn)行高壓水清洗。清洗用水采用循環(huán)水，且確保水中氯離子含量≤25 mg/L。清洗3 h 后，目視已無(wú)明顯結(jié)垢、清洗效果較好，然后用氮?dú)鈱?duì)管束進(jìn)行徹底吹掃。

3.3 泄漏部位檢查情況

對(duì)換熱器管束進(jìn)行打壓查漏，發(fā)現(xiàn)泄漏集中位于管板左上方及右上方（圖3）。該處換熱管與管板間焊縫處焊肉剝離脫落，從失效的一處有焊縫剝離的接頭處可以看出，換熱管端部明顯低于管板端面，焊縫根部存在未熔合現(xiàn)象，而且是單道焊（圖4）。而通過(guò)核對(duì)設(shè)備制造圖紙，圖紙上要求換熱管需伸出管板端面1.5～2.0 mm，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際與圖紙要求明顯不符。

圖3 管束泄漏部位

圖4 管頭處外觀

3.4 管板光譜分析

為核對(duì)管板材料，對(duì)換熱器兩端管板進(jìn)行光譜分析。檢測(cè)結(jié)果顯示，Ni、Cr、Fe、Zn 和Mn 的含量分別為8.11%、18.01%、72.30%、0.14%和1.07%，確認(rèn)管板表面材料為S30408，與設(shè)計(jì)及圖紙制造要求相符（圖5）。

圖5 光譜分析材料檢測(cè)

4 泄漏原因分析

（1）由于管束材料為S30408 不銹鋼，易因氯離子濃度超標(biāo)發(fā)生應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂。根據(jù)泄漏后車間對(duì)換熱器入口循環(huán)水采樣分析結(jié)果，氯離子濃度為0.20 mg/L，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于GB/T 50050—2017《工業(yè)循環(huán)冷卻水處理設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定的“對(duì)于不銹鋼換熱設(shè)備，若水走管程，應(yīng)保證氯離子含量不大于1000 mg/L”的要求。由此判斷，本次腐蝕不是由于氯離子濃度超標(biāo)導(dǎo)致的不銹鋼應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂。

（2）盡管換熱器拆解后發(fā)現(xiàn)有明顯結(jié)垢，但垢樣質(zhì)地較軟，且垢樣去除后管板表面未發(fā)現(xiàn)有明顯蝕坑。高壓水清洗后，車間對(duì)管束內(nèi)進(jìn)行了內(nèi)窺鏡檢查，發(fā)現(xiàn)管束內(nèi)壁比較平滑、無(wú)明顯蝕坑。由此判斷，換熱器發(fā)生垢下腐蝕的概率也較小。

（3）泄漏部位位于管板邊緣，是換熱管與管板焊接質(zhì)量最薄弱的部位。該部位焊接應(yīng)力大，相比其他部位因存在結(jié)構(gòu)突變，特別是管束部件焊接過(guò)程中兩側(cè)熔化、凝固速度有差異，焊接質(zhì)量更不容易保證，同時(shí)極易產(chǎn)生殘余變形及殘余應(yīng)力。另外，在焊接過(guò)程中固定管板結(jié)構(gòu)會(huì)造成較大的焊接應(yīng)力和變形，如果焊接順序不當(dāng)，則管板較薄、剛性差，換熱管與管板間焊接更會(huì)造成管板變形，裂紋集中部位正是焊接應(yīng)力和變形最大的部位。

（4）制造廠家未嚴(yán)格按照?qǐng)D紙進(jìn)行制造。根據(jù)圖紙的要求，換熱管端部要高于管板端面1.5～2.0 mm，且為45°角的焊縫連接形式。而實(shí)際換熱管與管板間是單道焊，且為平頭的焊接結(jié)構(gòu)，部分換熱管端面甚至低于管板端面，焊縫根部存在未熔合現(xiàn)象。

（5）泄漏部位為殼程高溫?zé)崦剿娜肟诤凸艹痰蜏匮h(huán)水的出口交匯處，存在較大的溫差，設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中泄漏部位處熱應(yīng)力最大，而固定管板結(jié)構(gòu)抵抗熱變形能力差，容易因沖擊振動(dòng)及溫度變化產(chǎn)生裂紋。

5 解決對(duì)策及建議

（1）從設(shè)備泄漏原因分析來(lái)看，該換熱器存在較大的再次泄漏隱患，不能滿足長(zhǎng)周期運(yùn)行的需求，建議更換備臺(tái)。

（2）建議將管板由復(fù)合管板結(jié)構(gòu)改為整體S30408 材料結(jié)構(gòu)，避免制造過(guò)程中焊接應(yīng)力大可能造成的復(fù)合鋼板局部復(fù)層開(kāi)裂問(wèn)題。

（3）制造過(guò)程中注意施焊環(huán)境清潔，保證焊件金屬溫度不低于0 ℃，以避免產(chǎn)生焊接冷裂紋。所有焊接接頭采用多層焊，注意保證根部熔合質(zhì)量。

（4）嚴(yán)格按照?qǐng)D紙進(jìn)行制造，建議換熱管端面要高于管板端面2.0 mm。

（5）加強(qiáng)工藝平穩(wěn)操作，避免因工藝波動(dòng)導(dǎo)致?lián)Q熱器管束振動(dòng)及溫差應(yīng)力加大的情況發(fā)生。

（6）加強(qiáng)循環(huán)水質(zhì)管理，調(diào)整循環(huán)水加藥量，以減少生物黏泥的生成；確保管程循環(huán)水流速不小于0.9 m/s，防止流速過(guò)低發(fā)生垢下腐蝕現(xiàn)象。