(山東華魯恒升化工股份有限公司，山東 德州 253024)

管殼式換熱器是尿素裝置應用最廣泛的換熱設備，主要包括固定管板式、U型管式、浮頭式、填料函式等形式。由于運行工況的多樣性以及結(jié)構(gòu)的復雜性，換熱器也是最容易出現(xiàn)問題的靜止設備。目前，管殼式換熱器失效主要包括傳熱效率降低、局部泄漏、特殊結(jié)構(gòu)失效等，其中，泄漏對裝置安全高效運行的影響最為嚴重。筆者就尿素裝置換熱器出現(xiàn)的問題進行剖析討論，為提高換熱器維護管理水平、延長裝置穩(wěn)定運行周期提供借鑒。

1 傳熱效率降低

(1)換熱器在役期間，由于循環(huán)水硬度高或含有顆粒、懸浮物等，在流經(jīng)換熱器管程或殼程時，會在換熱管內(nèi)外結(jié)垢，嚴重時會阻塞換熱管及管間空隙，致?lián)Q熱器效率大大降低。

(2)優(yōu)化及改進措施：①優(yōu)化介質(zhì)環(huán)境，從根源解決結(jié)垢問題，通過進一步優(yōu)化加藥、反洗、排水等工藝指標，降低流體介質(zhì)硬度、顆粒度，增加過濾器等措施過濾固體雜質(zhì)；②增加介質(zhì)流速或防結(jié)垢裝置，如采用多管程換熱器提高循環(huán)水流速，增加螺旋防垢裝置、橡膠球或其他固體顆粒循環(huán)裝置防止結(jié)垢等；③在換熱器列管表面增加防結(jié)垢涂層；④定期檢查和清洗，增加清洗頻次，防止結(jié)垢過硬和換熱管垢下腐蝕造成泄漏。高調(diào)水冷卻器清洗前后對比見圖1。

圖1 高調(diào)水冷卻器清洗前后對比

需特別注意的是： CO2壓縮機油冷、離心式氨泵油冷等板式換熱器的使用范圍要求冷熱介質(zhì)是潔凈介質(zhì)，防止板片之間堵塞。無法規(guī)避時，采用可實現(xiàn)在線切換的過濾設施，定期清理。

2 換熱管泄漏

2.1 腐蝕因素造成換熱器失效

(1)腐蝕是造成換熱設備泄漏失效最普遍的因素，包括應力腐蝕、介質(zhì)腐蝕、晶間腐蝕、縫隙腐蝕等。CO2壓縮機二段級間冷卻器見圖2。

圖2 CO2壓縮機二段級間冷卻器

山東華魯恒升化工股份有限公司(以下簡稱華魯恒升)工業(yè)園CO2離心壓縮機一段級間換熱器、3#尿素CO2壓縮機二段級間冷卻器都出現(xiàn)過泄漏。工藝介質(zhì)為CO2，溫度為230℃，泄漏多為換熱管裂，更換檢查時發(fā)現(xiàn)，由于介質(zhì)與循環(huán)水溫差較大，循環(huán)水側(cè)泥垢堆積嚴重，造成垢下腐蝕裂紋；同時，循環(huán)水中Cl-濃度偏高(600～800mg/L)，也是造成腐蝕的典型原因。CO2壓縮機二段級間冷卻器換熱管垢下腐蝕開裂見圖3。

圖3 CO2壓縮機二段級間冷卻器換熱管垢下腐蝕開裂

(2)優(yōu)化及改進措施：①改善環(huán)境，分析腐蝕發(fā)生機理，從根源消除腐蝕環(huán)境：降低水中腐蝕介質(zhì)成分，如Cl-、CO2等易造成介質(zhì)腐蝕、應力腐蝕的環(huán)境；②選擇合適的換熱管材質(zhì)、管板堆焊層材質(zhì)，以適應相應腐蝕介質(zhì)環(huán)境；③保證管板及換熱管材質(zhì)選用正確，保證加工質(zhì)量，避免因選材及加工問題造成的換熱器泄漏；④根據(jù)循環(huán)水中Cl-含量和介質(zhì)溫度，依據(jù)規(guī)范進行材料選用。

值得特別注意的是，碳鋼換熱管(20#)可用在氨冷器等無腐蝕工況；其他工況介質(zhì)最低采用304不銹鋼(循環(huán)水也采用304材質(zhì))，管板與換熱管之間采用強度焊加貼脹，管板可以用碳鋼，采用復合管板，復合層材質(zhì)與換熱管材質(zhì)相同；循環(huán)水應盡量避免流經(jīng)殼程。不能避免的換熱器、折流板和拉桿等的材質(zhì)均采用304不銹鋼。

2.2 振動、沖刷及管束加工質(zhì)量等因素造成換熱器失效

(1)折流板管孔加工等級超差，造成換熱管較大長度沒有支撐，工藝介質(zhì)為氣體或氣液混合物，在換熱管內(nèi)流動會引起換熱管振動與折流板摩擦，長期如此會造成換熱管斷裂、減薄，導致泄漏。

2017年9月，華魯恒升尿素循環(huán)水水站突發(fā)氨氮快速上漲，經(jīng)排查，發(fā)現(xiàn)1#尿素回流冷卻器循環(huán)水回水氨氮高達15 000mg/L。判斷為回流冷卻器泄漏，系統(tǒng)減量，停水系解析系統(tǒng)進行查漏堵漏。經(jīng)過試壓，發(fā)現(xiàn)泄漏管線只有一根，泄漏量巨大，堵漏后系統(tǒng)運行正常。在大修時，將換熱器接管拆除檢查，發(fā)現(xiàn)在解析塔氣相進回流冷處，換熱器防沖板脫落，一根換熱器斷裂，其他換熱管在折流板管孔處也存在不同程度的磨損。

(2)優(yōu)化及改進措施：①嚴格按照標準要求控制折流板及管板加工精度，換熱管到貨后對其尺寸嚴格復核，不允許換熱管拼接；不銹鋼換熱管管端應清除表面附著物及氧化層，碳素鋼、低合金鋼換熱管管端外表面應除銹至呈現(xiàn)金屬光澤。管端清理長度不小于換熱管外徑，且不小于25mm；②換熱器組裝過程中嚴格按照要求穿管，禁止強力組裝，避免換熱管損傷；③改進結(jié)構(gòu)：在有氣液沖擊振動的環(huán)境中，為了防止換熱管與折流板之間摩擦，要求在介質(zhì)進入換熱器處設置防沖板，同時提高折流板管孔加工等級，也可以在換熱管與折流板之間增加四氟套減少摩擦；④優(yōu)化工藝操作，避免溫度、壓力波動，引起管束共振。

2.3 管板與換熱管連接失效

(1)換熱器管板與換熱管之間的主要連接方式有強度焊接、強度脹接、強度焊加貼脹、密封焊加強度脹等，該位置發(fā)生泄漏的事故也較為頻繁。造成泄漏的主要原因為未脹管或脹接強度不夠、密封焊接失效(應力過大開裂、焊接缺陷、應力腐蝕等)、間隙腐蝕等。

(2)優(yōu)化及改進措施：①管頭焊接前不銹鋼換熱管管端應清除表面附著物及氧化層，碳素鋼、低合金鋼換熱管管端外表面應除銹至呈現(xiàn)金屬光澤。管端清理長度不小于換熱管外徑，且不小于25mm；②控制折流板及管板加工精度，換熱管到貨后對換熱管尺寸嚴格復核；嚴格按照設計標準要求控制管頭焊接質(zhì)量，焊接前應按NB/T47014進行焊接工藝評定并確保合格；③管頭全部氬弧焊接，且不少于兩遍，焊腳高度符合GB151規(guī)定；④有脹接要求的管頭應進行脹接工藝評定并確保合格，同時嚴格進行所有管頭的脹接工序，推薦采用液壓脹接工具進行脹接工作。

3 結(jié)語

換熱器管理是化工生產(chǎn)裝置管理的重要組成部分，尿素裝置涉及的換熱器種類多，工況各異，需要研究問題發(fā)生的特點及原因進行針對性的預防，從設備選型選材、加工制造、工藝操作、介質(zhì)環(huán)境的每一個細節(jié)深入分析，從問題發(fā)生的根源著手，提前對易發(fā)故障的換熱設備進行有針對性的預防與維護，才能有效避免換熱器失效的發(fā)生。