合成水冷器泄漏原因分析及改進(jìn)措施

李正方,王會瓊

(1.云南大為制氨有限公司，云南 沾益 655338；2.云南大為化工裝備制造有限公司 云南 沾益 655338 )

某化工廠有2臺合成水冷器。合成氣從甲醇合成塔出口經(jīng)第一、第二換熱器回收熱量后，進(jìn)入并聯(lián)操作的合成水熱器。用循環(huán)水作為冷卻介質(zhì)，將合成氣溫度降至40℃后進(jìn)入高壓分離器進(jìn)行氣液分離。

設(shè)備運行中經(jīng)常會發(fā)生泄漏，管程的合成氣滲漏到殼程的循環(huán)水中，造成工藝參數(shù)波動，對生產(chǎn)系統(tǒng)的穩(wěn)定性造成很大的影響，若不及時處理，將會造成嚴(yán)重的設(shè)備事故。經(jīng)過多次故障處理及分析，管頭泄漏是導(dǎo)致設(shè)備泄露關(guān)鍵的因素之一。

1 設(shè)備概述

該設(shè)備是固定管板式換熱器，因為管程壓力較高，故采用管板直接與管箱筒體連接結(jié)構(gòu)，優(yōu)點是較緊湊，排管數(shù)量較多，在相同直徑下?lián)Q熱面積較大，鍛件使用少，制造成本低，且漏點少；缺點是管板與管頭之間易產(chǎn)生溫差應(yīng)力而損壞，殼程無法機械清洗，因此殼程易結(jié)垢場合不宜采用。

本設(shè)備采用在碳鋼材料表面復(fù)合不銹鋼或者堆焊不銹鋼的結(jié)構(gòu)，比用全不銹鋼材料可以大大節(jié)約制造成本。因此設(shè)備管程的管板、管口上鍛管法蘭均采用堆焊奧氏體不銹鋼(S30408)結(jié)構(gòu)，換熱管采用奧氏體不銹鋼(S30408)無縫鋼管，管程筒體、封頭采用復(fù)合板(S30408+Q345R)結(jié)構(gòu)。

設(shè)備簡圖見圖1，工藝參數(shù)見表1。

表1(續(xù))

2 泄漏情況

2010年11月，在2臺水冷器投入使用半年多后，其中一臺合成水冷器開始發(fā)生泄漏。經(jīng)對殼程的循環(huán)水進(jìn)行甲醇含量分析，確認(rèn)該水冷器發(fā)生內(nèi)漏。采用從殼程打水壓試驗來檢測管頭漏點位置，打壓至 0.45 MPa 后發(fā)現(xiàn)管頭有多處明顯漏點；另外，為了更準(zhǔn)確判定漏點缺陷情況，對管頭著色檢查，發(fā)現(xiàn)管板上漏點處均存在細(xì)裂紋，多數(shù)分布在管板下邊緣，靠管板上部即循環(huán)水進(jìn)口側(cè)管板上多達(dá)5處漏點。

3 泄漏原因分析

3.1 管板質(zhì)量問題

因管板是堆焊結(jié)構(gòu)(16MnⅢ+堆焊S30408)，在管板過渡層堆焊并經(jīng)表面著色檢測合格后，須進(jìn)行爐內(nèi)整體消除堆焊應(yīng)力熱處理，目的是消除堆焊產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，保證堆焊層質(zhì)量。熱處理后再進(jìn)行耐蝕層(面層)的堆焊。熱處理時若堆焊應(yīng)力沒有被完全消除，則該應(yīng)力將一直存在管板內(nèi)部。管程的合成氣中含有大量的甲醇、氫氣等腐蝕性介質(zhì)，對管板表面的堆焊層(不銹鋼)有一定的腐蝕性，加之在焊接應(yīng)力作用下，管板易形成應(yīng)力腐蝕，從而導(dǎo)致管板堆焊層表逐漸出現(xiàn)縱向細(xì)小裂紋。設(shè)備在長期運行下，裂紋不斷擴大并延伸至薄弱區(qū)，管頭焊縫被拉裂，管頭泄漏必然發(fā)生。

3.2 工藝產(chǎn)物問題

管程介質(zhì)(合成氣)經(jīng)一系列物理和化學(xué)反應(yīng)后，會產(chǎn)生大量副產(chǎn)物——石蠟，堆積凝固在管板表面，若不及時清除，將導(dǎo)致?lián)Q熱管管頭被堵塞，管殼介質(zhì)不能很好流通，換熱效果變差，因此，必須停車進(jìn)行清理。通常是采用從管、殼程側(cè)同時通入高溫蒸汽(約 180 ℃)進(jìn)行加熱，使管板表面的石蠟在高溫作用下融化，并從筒體下部排凈口排出。因合成水冷器是臥式結(jié)構(gòu)，換熱管上下重疊，高溫加熱石蠟時，管板上部表面的石蠟受熱后向下流動順。因殼程底部出口管直徑較小，積水排出緩慢，再加之上部列處管流下的石蠟沒有及時被排除，大量堆積在管箱底部，尤其是下部1～6排換熱管管頭，被大量的石蠟堵塞，使上部和下部換熱管熱管膨脹不一致，管頭承受很大的拉應(yīng)力。在拉應(yīng)力作用下，熱影響區(qū)焊縫發(fā)生塑性變形，直至拉裂。經(jīng)對管板表面做著色檢測發(fā)現(xiàn)，下部1～6排管頭的焊縫熱影響區(qū)內(nèi)有大量細(xì)裂紋，從而證實了副產(chǎn)物——石蠟清理工藝不當(dāng)，導(dǎo)致管頭泄漏。

3.3 水質(zhì)問題

設(shè)備用工藝循環(huán)水中，水質(zhì)含有雜質(zhì)以及其他污染物，對管壁產(chǎn)生腐蝕，當(dāng)溫度高于一定值時，在管壁上就會形成積垢。當(dāng)管道內(nèi)介質(zhì)的溫度越高，管道外壁結(jié)垢的趨勢就越嚴(yán)重。長期結(jié)垢導(dǎo)致管道間流量減小，管道間的截面積變小，造成管道兩端介質(zhì)壓力損失增大，水的流速減小，進(jìn)一步加劇管道結(jié)垢。這不僅造成換熱效果的降低，而且還會誘發(fā)管道局部腐蝕導(dǎo)致管壁穿孔，形成換熱器的泄漏。

4 處理方法

4.1 隔離方法

水冷器出現(xiàn)泄漏，應(yīng)及時對設(shè)備進(jìn)行切換并隔離處理，如果系統(tǒng)條件不允許，則應(yīng)該降低設(shè)備負(fù)荷，對泄漏情況進(jìn)行嚴(yán)密監(jiān)視。泄漏加重時，應(yīng)果斷進(jìn)行隔離停車，盡量減少管子損壞數(shù)量，減小對系統(tǒng)損壞的程度。

4.2 采取有效的堵漏方法

設(shè)備出現(xiàn)泄漏時，首先應(yīng)檢查并分析產(chǎn)生泄漏的原因，制定合理的處理方案。若是管頭焊縫泄漏，最有效的處理方法是將除原焊縫金屬去除干凈，檢查合格后再進(jìn)行重新焊接。假設(shè)是管子本體泄漏，則是先查清管子泄漏的形式及位置，采用合適的堵管工藝，堵塞管子的兩頭端口。為保證堵管質(zhì)量，管頭部位一定要處理好，管孔應(yīng)清理干凈，用經(jīng)加工好的堵頭塞入管頭(堵頭強度應(yīng)足夠)，用氬弧焊將堵頭焊接牢固。然后對殼程做耐壓試驗檢測堵頭的強度及焊接質(zhì)量。

5 預(yù)防措施

設(shè)備換熱管與管板的焊接質(zhì)量，直接影響設(shè)備的運行周期。因此，制作過程中應(yīng)嚴(yán)格把控好管頭的焊接質(zhì)量。按底層焊接完成后經(jīng)檢驗合格，再進(jìn)行面層焊接的順序制作，既要保證角接接頭高度和熔深，又要避免產(chǎn)生析出型氣孔。

5.1 換熱管材料質(zhì)量控制

嚴(yán)格控制好換熱管采購及檢驗質(zhì)量關(guān)，換熱管材料應(yīng)符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，選用高級精度的冷拔(軋)鋼管。換熱管不允許拼接，其外徑允許偏差控制在±0.10 mm,壁厚允許偏差按最小壁厚供貨控制在(0～0.4)mm。選擇工藝裝備先進(jìn)、質(zhì)量可靠的供貨商，換熱管出廠前要求逐根進(jìn)行耐壓試驗，試驗壓力按標(biāo)準(zhǔn)要求。設(shè)備制造廠應(yīng)對換熱管的外徑和壁厚偏差進(jìn)行抽查，保證其滿足要求，以源頭上控制好換熱管質(zhì)量。

5.2 管板質(zhì)量控制

水冷器制造過程中嚴(yán)格檢查，確保管板的厚度滿足設(shè)計要求，管板堆焊前對基材表面進(jìn)行機加工，并做100%磁粉檢測，基材表面不能有氣孔、裂紋等缺陷，符合NB/T47013-2015規(guī)定的Ⅰ級合格。合格后采用經(jīng)焊接工藝評定合格的工藝文件堆焊過渡層(厚度不小于 3 mm)，過渡層堆焊后對過渡層進(jìn)行爐內(nèi)整體消除應(yīng)力熱處理。然后再進(jìn)行耐蝕層的堆焊,堆焊總厚度不得小于 6 mm；過渡層和耐蝕層應(yīng)分別進(jìn)行100%滲透檢測，堆焊層表面不能有氣孔、裂紋等缺陷，符合NB/T47013-2015規(guī)定的Ⅰ級合格。管孔加工采用2次鉆擴孔，以保證管孔加工尺寸精度和表面粗糙要求。提高管孔尺寸精度，均按Ⅰ級管束管孔尺寸允許偏差要求加工；管孔表面不得有影響焊接或脹接連接質(zhì)量的毛刺、鐵屑、銹斑及縱向或螺旋狀刻痕等缺陷，從而保證管板及管孔的加工質(zhì)量。

5.3 管頭焊接質(zhì)量控制

管板的焊接坡口與換熱管管端的清潔度對管頭的焊接質(zhì)量影響很大，管板鉆孔時在管孔周圍的油污和鐵屑必須用除油劑清洗，并用潔凈水沖洗干凈后用壓縮空氣吹干。換熱管管端采用布砂輪處理，去除管端及外表面的灰塵及影響焊接質(zhì)量的有害雜質(zhì)。換熱管穿管時，由于管子直徑小，且較長，為了保證穿管質(zhì)量，采用臥位后退式分段穿管工藝，即換熱管由管板端逐段穿入，折流板由殼體側(cè)逐層穿入。為保證穿管對中，在管板外側(cè)設(shè)置穿管工裝，考慮到低壓殼體剛性較差，應(yīng)使用環(huán)縫組裝卡，調(diào)整圓度，并視現(xiàn)場情況增加筒體支撐點，以便于穿管。換熱管與管板的焊接采用手工鎢極氬弧焊兩遍填絲焊，焊材選用氬弧焊絲H08Cr21Ni10/φ2.0 mm。從焊接工藝方面講，采用小的焊接線能量進(jìn)行焊接，防止焊縫和熱影響區(qū)的晶粒長大及碳化物的析出，保證了焊接接頭的塑、韌性和耐蝕性。另外，為提高焊縫的抗熱裂性能和耐蝕性能，焊接時，需要特別注意焊接區(qū)的清潔，避免有害元素滲入焊縫。

為了保證管頭質(zhì)量，每個管頭焊接均應(yīng)分焊兩道進(jìn)行，第一道為打底焊接，焊完后應(yīng)進(jìn)行氣密性滲漏試驗，試驗壓力為 0.5 MPa, 保壓 30 min，檢查打底層焊接質(zhì)量，無泄漏為合格。然后，進(jìn)行第二道(面層)焊接，要求第二道起弧點與前一道起弧點相錯120°，并應(yīng)保證焊角高度，以滿足換熱管的拉脫力要求。管頭焊接完成后，換熱管與管板的焊接接頭還須進(jìn)行100%滲透檢測，符合NB/T47013-2015 規(guī)定Ⅰ級合格，并對設(shè)備殼程進(jìn)行耐壓試驗，以檢驗管頭的焊接質(zhì)量滿足要求。

5.4 換熱管防振動及防腐蝕措施

5.4.1 換熱管防振動措施

方法一：根據(jù)工藝計算合理選取折流板間的換熱管無支撐跨距，以防止換熱管產(chǎn)生較大的撓度。同時應(yīng)考慮適當(dāng)增加折流板的厚度，對防止管束振動也是有利的。

方法二：按工藝系統(tǒng)要求，嚴(yán)格控制殼程循環(huán)水的流速，確保工藝參數(shù)穩(wěn)定，防止工藝參數(shù)周期性變化導(dǎo)致管子發(fā)生振動互相摩擦，導(dǎo)致管壁變薄。并應(yīng)在殼程循環(huán)水進(jìn)口處設(shè)置防沖擋板，可減小循環(huán)水對換熱管的沖擊作用。

5.4.2 防腐措施

殼程循環(huán)水中含有雜質(zhì)以及其他污染物易沉積在管壁表面，若流速過低可能導(dǎo)致底部換熱管間的空隙被堵塞，從而增加垢下腐蝕，影響換熱管傳熱效果；流速過高又會使壓力損失增加。因此，工藝上應(yīng)控制水質(zhì)及合適的流速，以確保設(shè)備安全運行。

6 結(jié)語

通過以上分析得出，解決合成水冷器泄漏問題，首先應(yīng)從設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計、材料及制造等方面把好質(zhì)量關(guān)。另外，還要控制好工藝參數(shù)，確保溫度壓力等在設(shè)備允許范圍內(nèi)，加強介質(zhì)腐蝕控制，并做好定期檢修工作。并注意以下幾項事項：

1) 加強設(shè)備管理，提高水冷器的制造和檢修質(zhì)量。對水冷器采取適當(dāng)?shù)姆栏胧┑龋栽黾铀淦鞅旧淼目垢g性能，減少泄漏的頻繁發(fā)生。

2) 清理石蠟時，加蒸汽位置由上水導(dǎo)淋管應(yīng)改為回水導(dǎo)淋，使設(shè)備殼程無積存的冷凝液，列管及管板受熱均勻，從而改善了水冷器的受熱使用條件。

3) 定期分析水質(zhì)，發(fā)現(xiàn)異常應(yīng)及時處理，以減少對水質(zhì)造成的污染。

4) 設(shè)備開停車時，應(yīng)控制好升溫或降溫的速度，運行中要嚴(yán)格執(zhí)行工藝參數(shù)，控制其在設(shè)計允許的范圍內(nèi)。