李佳濤，張永謀

板式換熱器內(nèi)漏故障分析與處理

李佳濤，張永謀

（本溪鋼鐵集團(tuán)公司氧氣廠，遼寧本溪117002）

板式換熱器流程制氧機(jī)在日常生產(chǎn)過(guò)程中發(fā)生氮?dú)猱a(chǎn)品純度超標(biāo)現(xiàn)象。經(jīng)過(guò)分析和推斷，確定了導(dǎo)致該現(xiàn)象發(fā)生的根本原因是板式換熱器內(nèi)部泄漏。根據(jù)生產(chǎn)和設(shè)備實(shí)際情況，制定并實(shí)施了切實(shí)可行的板式換熱器處理修復(fù)方案，最終取得了較好的運(yùn)行效果。

板式換熱器；內(nèi)部泄漏；氮?dú)饧兌?；超?biāo)

1 引言

本鋼氧氣廠4#制氧機(jī)（以下簡(jiǎn)稱4#機(jī)）投產(chǎn)于1988年，屬于采用德國(guó)林德公司技術(shù)設(shè)計(jì)制造的國(guó)產(chǎn)杭氧公司設(shè)備，采用可逆式板式換熱器切換制氧流程，氧氣和氮?dú)猱a(chǎn)量均為10000 m3/h全低壓全提取空分裝置。目前為止該機(jī)組已經(jīng)運(yùn)行25年，雖然經(jīng)過(guò)了兩次大修，但由于設(shè)備老化，經(jīng)常發(fā)生一些故障。

2 故障現(xiàn)象

2013年10月21日10時(shí)轉(zhuǎn)4#機(jī)進(jìn)行空分系統(tǒng)開車，23日15時(shí)40分氧氣合格送入管網(wǎng)，15時(shí)50分氮?dú)夂细瘢C(jī)組純度表顯示含氧10×10-6以下）送入管網(wǎng)，但之后氮?dú)夤芫W(wǎng)系統(tǒng)純度發(fā)生波動(dòng)，4#氮壓機(jī)出口氮?dú)夂?0×10-6～50×10-6。24日14時(shí)19分4#氮壓機(jī)出口氮?dú)夂踹_(dá)到100×10-6，廠調(diào)果斷指揮將4#機(jī)氮?dú)猱a(chǎn)品切除管網(wǎng)，之后管網(wǎng)系統(tǒng)氮?dú)饧兌戎饾u趨好，半小時(shí)左右恢復(fù)正常。

3 原因分析

通過(guò)上述現(xiàn)象進(jìn)行分析和推斷，加之此前化驗(yàn)人員曾多次反映4#機(jī)氮?dú)猱a(chǎn)品每次送入管網(wǎng)后均會(huì)造成管網(wǎng)系統(tǒng)氮?dú)饧兌炔▌?dòng)，當(dāng)4#機(jī)停運(yùn)或氮?dú)猱a(chǎn)品切除后管網(wǎng)系統(tǒng)氮?dú)饧兌扔种匦禄謴?fù)正常，因此重點(diǎn)在以下幾個(gè)方面著手進(jìn)行分析排查，制定切實(shí)可行的處理方案，為供氮系統(tǒng)恢復(fù)正常創(chuàng)造條件。

3.1 空分系統(tǒng)內(nèi)外部連接管道和機(jī)組內(nèi)部氮壓機(jī)影響因素排查

對(duì)4#機(jī)空分系統(tǒng)的低壓氮?dú)廨斔凸艿老嚓P(guān)聯(lián)的一些管道和機(jī)組內(nèi)部的氮壓機(jī)的一些儀表管和密封氣管進(jìn)行了逐一排查，完全切除了機(jī)組內(nèi)部和外部管道之間的關(guān)聯(lián)，之后經(jīng)過(guò)檢測(cè)分析，出冷箱氮?dú)饧兌葲]有發(fā)生明顯好轉(zhuǎn)趨勢(shì)，因此排除了外界因素干擾。

3.2 精餾系統(tǒng)和液化器排查

經(jīng)過(guò)檢驗(yàn)和空分人員的詳細(xì)排查，由于氮?dú)獬隼湎涞募兌确治鳇c(diǎn)在放空閥之后，取樣點(diǎn)的氣量不足，因此日常氮?dú)饧兌葦?shù)值采用了下塔液氮的純度AI2-2進(jìn)行參考。經(jīng)過(guò)反復(fù)核實(shí)，下塔液氮純度為含氧10×10-6以下，該指標(biāo)正常。然后分別對(duì)出塔氮?dú)饧兌華E32和液氮液化器之后的氮?dú)饧兌華E33分別進(jìn)行了化驗(yàn)分析，純度均顯示正常，可以判定空分精餾塔和液化器沒有問(wèn)題，需要對(duì)液化器之后的板式換熱器以及一些相關(guān)管道進(jìn)行排查確認(rèn)，因此在出冷箱氮?dú)夤艿赖膲毫c(diǎn)PI14進(jìn)行取樣分析，發(fā)現(xiàn)氮?dú)夂踉?50×10-6～350×10-6之間波動(dòng)。

3.3 板式換熱器成為重點(diǎn)懷疑對(duì)象

通過(guò)上述數(shù)據(jù)檢測(cè)和分析，將重點(diǎn)懷疑的區(qū)域范圍進(jìn)一步縮小至板式換熱器部分。

4 故障排查

4.1 板式換熱器工藝流程簡(jiǎn)介

空氣再經(jīng)過(guò)空壓機(jī)壓縮后進(jìn)入空氣預(yù)冷系統(tǒng)（空冷塔），然后經(jīng)過(guò)空氣切換閥進(jìn)入板式換熱器，隨著膨脹機(jī)產(chǎn)生的冷量不斷降低板式換熱器溫度，當(dāng)溫度降至-60℃時(shí)空氣中水分基本全部被凍結(jié)在換熱器內(nèi)部翅片上，當(dāng)溫度降至-165℃時(shí)空氣中二氧化碳也基本全部被凍結(jié)在換熱器內(nèi)部翅片上。通過(guò)板式換熱器前部切換閥的定期切換，周期性改變正流空氣和返流污氮的通道，利用返流污氮將凍結(jié)在板式換熱器內(nèi)部的水分和二氧化碳清除掉，達(dá)到自清除目的。

4.2 板式換熱器部分工藝流程（如圖1所示）

圖1 4#制氧機(jī)板式換熱器部分工藝流程簡(jiǎn)圖

4.3 板式換熱器外部宏觀組成

板式換熱器分兩大組六個(gè)單元，每個(gè)單元又分為上下兩個(gè)相同獨(dú)立部分，即冷段和熱段，每個(gè)單元冷熱段通過(guò)各種氣體管道相連通。按照空氣在板式換熱器的溫度梯度，將換熱器的冷段和熱段又分為冷端和熱段。板式換熱器內(nèi)部各組分通道之間采用叉流翅片式換熱形式。

4.4 板式換熱器宏觀結(jié)構(gòu)及氣流走向

4.4.1板式換熱器工藝管道整體布局

每個(gè)單元的板式換熱器冷段和熱段結(jié)構(gòu)基本相同，換熱器本體為長(zhǎng)方體，在塔內(nèi)呈立式并排安裝。換熱器上下水平端面分別并列焊接兩個(gè)相同規(guī)格的封頭，分別走空氣和污氮，如一側(cè)走空氣，另一側(cè)走污氮，氣路由切換系統(tǒng)決定。氮?dú)夂脱鯕夥忸^分別焊接在換熱器端頭平面以下?lián)Q熱器本體端頭前后對(duì)稱垂直表面。每個(gè)封頭中部分別與相應(yīng)氣體支管焊接，其中空氣和污氮封頭呈對(duì)角線布置，氮?dú)夂脱鯕庖渤蕦?duì)角線布置。其他品種氣體管道封頭與換熱器本體連接型式由于與本文論述內(nèi)容無(wú)關(guān)，這里不再贅述，在圖1中也不進(jìn)行描繪。

4.4.2各種主要?dú)怏w管道宏觀布局及氣流走向形式（如圖2、圖3所示）

圖2 4#制氧機(jī)板式換熱器R4～R6單元整體外形結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

圖3 板式換熱器通路采用多流體形示意圖

4.5 板式換熱器泄漏排查過(guò)程

4.5.1空分系統(tǒng)生產(chǎn)時(shí)切換閥開關(guān)組合方式如表1

表1 空分系統(tǒng)生產(chǎn)時(shí)切換閥開關(guān)組合方式

4.5.2檢測(cè)方法與數(shù)據(jù)確認(rèn)

經(jīng)過(guò)廠內(nèi)有關(guān)人員前期分析判斷，決定對(duì)氮?dú)猱a(chǎn)品出六個(gè)板式換熱器單元的熱端支管上開孔檢測(cè)純度，從10月25日至31日反復(fù)通過(guò)移動(dòng)式氮?dú)饧兌确治鰞x對(duì)板式換熱器各單元的氮?dú)饧兌冗M(jìn)行檢測(cè)，具體純度情況如表2所示。

表2 板式換熱器各單元氮?dú)饧兌?/p>

4#機(jī)正常生產(chǎn)時(shí)氮?dú)饧兌龋ê酰┰?0×10-6以下。通過(guò)以上數(shù)據(jù)分析對(duì)比，判斷4單元和5單元有泄漏情況，5單元相對(duì)較嚴(yán)重，由于6單元支管處于4單元和5單元氮?dú)膺M(jìn)入?yún)R集總管之后的通道上，因此6單元氮?dú)饧兌扔行┢咧饕艿?、5單元泄漏影響。由于各單元氮?dú)饩鶇R集混合在一起進(jìn)入出口總管，因此4、5單元泄漏對(duì)1、2、3單元氮?dú)饧兌纫苍斐闪艘欢ㄓ绊憽?/p>

4.5.3判斷板式換熱器泄漏單元具體部位

首先對(duì)空分塔內(nèi)板式換熱器側(cè)冷箱進(jìn)行了扒砂，第一步將珠光砂扒至板式換熱器冷段和熱段的結(jié)合部位。由于換熱器冷段的冷段經(jīng)受低溫，懷疑其損壞的可能性較大，開始重點(diǎn)排查換熱器的冷段。經(jīng)過(guò)反復(fù)研究論證，最終決定將R4和R5兩個(gè)單元冷段的冷端和熱端的氮?dú)庵Ч芊謩e切割一道縫隙，分別插上堵板。

起初制定了兩套試壓查漏方案：一是利用儀表風(fēng)機(jī)進(jìn)行試壓查漏；二是利用空壓機(jī)進(jìn)行試壓查漏。由于儀表風(fēng)機(jī)風(fēng)量小，試壓查漏效果不理想，因此選擇啟動(dòng)空壓機(jī)進(jìn)行試壓查漏。

啟動(dòng)空壓機(jī)前，首先關(guān)閉空氣進(jìn)出板式換熱器相關(guān)閥門以及氮?dú)饪偣茌斔烷y門，打開空氣回路旁通閥V26（空氣出板式換熱器后直接返至污氮通道），切換閥采用人為控制方式分組進(jìn)行試驗(yàn)，投運(yùn)空氣預(yù)冷系統(tǒng)和干燥器，然后啟動(dòng)空壓機(jī)并將其出口壓力設(shè)為0.52 MPa，利用干燥器后的不飽和空氣對(duì)板式換熱器R4和R5兩個(gè)單元進(jìn)行試壓查漏。最終經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)確認(rèn)，發(fā)現(xiàn)上述兩個(gè)單元冷段的熱端堵板以下的換熱器有氣流吹出，判斷兩個(gè)單元的熱段泄漏。因此需要將板式換熱器冷箱內(nèi)剩余的珠光砂全部扒凈，再想辦法查找換熱器內(nèi)部哪些通道有泄漏，以便采取合理的封堵措施。

4.5.4板式換熱器內(nèi)部具體通道查漏

首先把R4和R5兩個(gè)單元熱段的冷端封頭分別切割開，但發(fā)現(xiàn)每個(gè)單元的13個(gè)氮?dú)馔ǖ阑救袣怏w排出。經(jīng)過(guò)進(jìn)一步分析，空氣泄漏到氮?dú)馔ǖ篮筮M(jìn)入板式換熱器出口氮?dú)饪偣?，由于出口閥門處于關(guān)閉狀態(tài)，泄漏的氣體又返頂回?fù)Q熱器內(nèi)部的各個(gè)通道內(nèi)，因此出現(xiàn)上述現(xiàn)象。之后又將R4和R5兩個(gè)單元熱段的熱端兩個(gè)封頭切割開，避免泄漏的空氣通過(guò)出口總管返頂回?fù)Q熱器其他通道。通過(guò)查找原始設(shè)計(jì)資料，板式換熱器每個(gè)單元分為114條通道，序號(hào)分別為0～113，其中氮?dú)馔ǖ烙?3條，分別與空氣和污氮相鄰。最終經(jīng)過(guò)機(jī)組人員反復(fù)仔細(xì)查漏，發(fā)現(xiàn)R4單元的13、21、67、93通道泄漏，R5單元的13、21通道泄漏，此外R4和R5兩個(gè)單元換熱器封頭襯板內(nèi)部下邊緣分別發(fā)現(xiàn)一處（通道66和67之間）和兩處漏點(diǎn)（通道13和21）。上述所有漏點(diǎn)綜合作用，對(duì)氮?dú)猱a(chǎn)品純度造成了較大影響。

5 故障處理

通過(guò)認(rèn)真查閱設(shè)計(jì)資料和技術(shù)論證，并邀請(qǐng)4#機(jī)設(shè)計(jì)單位杭氧公司專家現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了技術(shù)交流和咨詢，由于設(shè)計(jì)方面考慮了一定的余量，采取板式換熱器修復(fù)措施不會(huì)對(duì)其正常生產(chǎn)運(yùn)行產(chǎn)生太大的影響，對(duì)產(chǎn)量和換熱的影響也基本可以忽略不計(jì)，最終決定采取焊接手段對(duì)上述泄漏的6個(gè)氮?dú)馔ǖ篮秃缚p進(jìn)行修復(fù)封堵。修復(fù)工作完成后，重新啟動(dòng)空壓機(jī)進(jìn)行了兩次仔細(xì)查漏，確認(rèn)無(wú)問(wèn)題后對(duì)前期切割開的板式換熱器封頭恢復(fù)焊接。冷箱裝砂結(jié)束后，12月10日14時(shí)58分轉(zhuǎn)4#機(jī)空壓機(jī)進(jìn)行系統(tǒng)加熱，22時(shí)10分轉(zhuǎn)膨脹機(jī)，21時(shí)40分氧氣合格，22時(shí)氮?dú)夂踉?0×10-6～20×10-6，純度合格可以送入管網(wǎng)，至此4#機(jī)板式換熱器內(nèi)部泄漏故障處理取得圓滿成功，達(dá)到了預(yù)期效果和目的。

6 經(jīng)驗(yàn)總結(jié)和防范措施

（1）可逆切換式換熱器切換閥每180 s開關(guān)各一次，切換動(dòng)作相當(dāng)頻繁，特別在切換過(guò)程中由于氣流沖擊而產(chǎn)生交變應(yīng)力，該應(yīng)力主要集中作用在換熱器熱段的熱端，容易造成金屬結(jié)構(gòu)變形和特性勞損，加之此類可逆切換式換熱器的使用壽命約為200萬(wàn)次，目前屬于超期服役。

（2）板式換熱器的材質(zhì)和焊接等方面也存在一些缺陷，從而影響使用周期。

（3）增加氮?dú)饧兌瘸瑯?biāo)報(bào)警程序，在4#機(jī)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)上增設(shè)氮?dú)饧兌嚷暪鈭?bào)警。

（4）加強(qiáng)4#機(jī)人員監(jiān)控和操作，化驗(yàn)室增設(shè)了先進(jìn)的氮?dú)饧兌确治鰞x，提高了化驗(yàn)精確程度。

（5）從技術(shù)層面分析，雖然泄漏的氮?dú)馔ǖ赖玫搅朔舛拢捎诜盗鳉怏w所攜帶的冷量有所減少，或多或少會(huì)對(duì)板式換熱器自清除效果有些影響，加之換熱器的其他類似部位也會(huì)存在泄漏隱患。從機(jī)組長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行考慮，還應(yīng)抓緊著手采購(gòu)新?lián)Q熱器，以備不時(shí)之需。

7 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)4#制氧機(jī)板式換熱器內(nèi)漏故障的處理，為后續(xù)的設(shè)備檢修贏得了寶貴時(shí)間，而且解決生產(chǎn)急需，同時(shí)提高了處理類似故障的能力，積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)，并為企業(yè)節(jié)約了成本。

Analysis and Treatment of Internal Leakage in Plate-Fin Heat Exchanger

LI Jiatao，ZHANG Yongmou
(Oxygen Generation Plant of Benxi Iron&Steel Group Company,Benxi,Liaoning 117021,China)

Nitrogen purity exceeds the standard during everyday production of oxygen generator using plate-fin heat exchanger process.Through analyzing and concluding,the basic cause of the problem was found to be an internal leakage in the plate-fin heat exchanger. Based on the actual condition of production and equipment,some practical restoration plan for the exchanger was drawn up and carried out,which has achieved good operation effect.

plate-fin heat exchanger；internal leakage；nitrogen purity;exceeding limit

TB66

B

1006-6764(2014)10-0026-03

2014－04－21

李佳濤（1978－），男，畢業(yè)于遼寧科技大學(xué)制冷與低溫技術(shù)專業(yè)，工程師，現(xiàn)從事生產(chǎn)技術(shù)管理工作。