馬智超(中海油惠州石化有限公司，廣東 惠州 516086)

0 引言

本公司根據(jù)我國管殼式換熱器執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)開展換熱器設(shè)計(jì)工作，換熱面積196m2，換熱器結(jié)構(gòu)類型為BEW。其中殼程介質(zhì)為冷卻水，工作溫度為33/43℃，設(shè)計(jì)溫度為120℃，工作壓力為0.5MPa，設(shè)計(jì)壓力為1.0MPa；管程介質(zhì)為循環(huán)尾氣，工作溫度為198/46℃，設(shè)計(jì)溫度為245℃，工作壓力為0.11MPa，設(shè)計(jì)壓力為0.5/-0.1MPa。

1 管殼式換熱器簡介

1.1 分類

由于管殼式換熱器其管內(nèi)和管外存在溫度差，為了防止由于這種溫度差產(chǎn)生的熱應(yīng)力問題，需要通過一定措施進(jìn)行補(bǔ)償，一般根據(jù)不同的補(bǔ)償措施，管殼式換熱器被分為以下四種。第一，固定管板式換熱器，這種換熱器的管束兩端的管板固定在殼體上，這種結(jié)構(gòu)的換熱器，比較適合殼程無需清洗的換熱，且管內(nèi)外流體的溫差較小的情況。如果出現(xiàn)內(nèi)外溫差變大，但是殼程的壓力較低的情況，可以通過安裝彈性補(bǔ)償圈來減小應(yīng)力。第二，浮頭式換熱器，這種換熱器管束一側(cè)的管板可以浮動，并且可以將管束從管殼中拿出以便維護(hù)清洗，能夠完全消除換熱器產(chǎn)生的熱應(yīng)力，但是由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，因此這種換熱器的成本較高。第三，U型管式換熱器，這種換熱器的換熱管均為U形，該換熱器與浮頭式換熱器一樣，能夠完全消除管中的熱應(yīng)力，優(yōu)勢是結(jié)構(gòu)相對簡單，缺點(diǎn)是清潔難度較大。第四，渦流熱膜換熱器，這種換熱器使用的是先進(jìn)的傳熱技術(shù)，能夠改變管束中介質(zhì)的運(yùn)動狀態(tài)，以此提高管束的換熱率，該換熱器的熱效率高達(dá)96%。

1.2 選用設(shè)計(jì)要點(diǎn)

在選用換熱器的時候需要注意以下要點(diǎn)：首先，在確定換熱面積的時候需要結(jié)合冷熱流體的流量，出入溫度，以及冷卻水和循環(huán)尾氣的比熱容，科學(xué)合理的制定換熱面積；其次，要控制好換熱器的壓力，一般壓力范圍在0.01～0.05MPa為好，在壓力環(huán)境等安裝情況允許的情況下，建議使用直徑小管體較長的裝置，以此提高換熱管的換熱率；再次，管中介質(zhì)的流速設(shè)置應(yīng)該參考流體的粘度，對于粘度較大的流體，其速度應(yīng)該小于0.5～1.0m/s，普通的流體速度應(yīng)該在0.4～1.0m/s之間，對于容易在管內(nèi)凝結(jié)的流體，其速度應(yīng)設(shè)置在0.8～1.2m/s之間；最后，換熱器的臺數(shù)以及處理能力需要能夠滿足換熱站的實(shí)際需求[1]。

2 案例概況介紹

2.1 情況介紹

本公司的循環(huán)尾氣壓縮機(jī)循環(huán)冷卻器管束采用的是進(jìn)口的304材質(zhì)，后由于管束出現(xiàn)開裂情況，引起泄露，將其升級為316L材質(zhì)的管束，但是開裂情況并沒有改善，最后升級為雙相不銹鋼S25073換熱管，并將管壁厚度由1mm升級成為2mm，發(fā)現(xiàn)管束開裂的問題得以解決。其詳細(xì)信息如表1所示。

表1 管束升級情況

2.2 技術(shù)要求

在本公司管束更換過程中，應(yīng)滿足以下要求：第一，管束的制造以及驗(yàn)收需要根據(jù)GB/T 151—2014《熱交換器》進(jìn)行。第二，S25073換熱管的外徑偏差應(yīng)在±0.1mm以內(nèi)，壁厚的偏差應(yīng)在±0.2mm以內(nèi)。第三，所有的定距管長度偏差應(yīng)在-1mm。第四，在管束制造完畢之后，需要進(jìn)行水壓檢測試驗(yàn)，試驗(yàn)的壓力應(yīng)為1.43MPa，另外，值得注意的是試驗(yàn)過程中所使用的水，其中氯離子的含量應(yīng)在25mg/L以下，并在試驗(yàn)結(jié)束之后將管束清理干凈。

2.3 材料性能對比分析

304不銹鋼材料是在工業(yè)、家具、食品醫(yī)療等行業(yè)中被廣泛應(yīng)用一種材質(zhì)，其密度為7.93g/cm3，能夠耐受800℃的高溫，抗拉強(qiáng)度為σb(MPa)≥515-1035，硬度：≤201HBW；≤92HRB；≤210HV。316L不銹鋼目前大多數(shù)是按照美國標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)的，為了降低生產(chǎn)成本，一般鋼廠會盡量壓低其中的Ni含量。與304不銹鋼相比，316L不銹鋼具有相對較好的抗點(diǎn)蝕性能，其密度為7.98g/cm3，抗拉強(qiáng)度σb(MPa)：≥480，硬度：≤187HB；≤90HRB；≤200HV，在100℃時其熱導(dǎo)率為15.1W/(m*K)，300℃時熱導(dǎo)率為18.4W/(m*K)，500℃時熱導(dǎo)率為20.94W/(m*K)。S25073 是一種雙相不銹鋼，這種鋼材具有極高的耐腐蝕性能，綜合了樓鐵素體鋼以及奧氏體鋼的優(yōu)勢，具有較好的耐腐蝕性，與316L相比能夠更好的抵抗氯離子以及鹽酸環(huán)境下的腐蝕，并且還有優(yōu)秀的機(jī)械性能，具有良好的耐壓、抗沖擊強(qiáng)度，同時在導(dǎo)熱性方面也有著極大的優(yōu)勢?？估瓘?qiáng)度：σb≥730MPa；硬度(HV)：290。

通過以上對比分析不難發(fā)現(xiàn)，S25073與上述兩種鋼材相比具備更好的硬度、抗拉強(qiáng)度以及耐腐蝕能力。

3 循環(huán)冷卻器管束開裂原因分析

3.1 換熱效率降低

經(jīng)過對冷卻器以及管束的詳細(xì)的查驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在換熱器運(yùn)行的過程中，管束的出口和入口之間產(chǎn)生了較大的溫差，在入口處200℃的殼層管板的位置很容易將冷卻水氣化，進(jìn)而生成氣體，產(chǎn)生的氣體在殼層中造成氣堵現(xiàn)象，對冷卻器內(nèi)部的水流運(yùn)行以及湍流程度造成阻礙，進(jìn)而影響換熱器運(yùn)行過程中循環(huán)水的換熱，導(dǎo)致?lián)Q熱效率降低[2]。

3.2 有害離子腐蝕

在發(fā)生管束開裂問題之后，本公司第一時間對循環(huán)水中的各種離子的含量進(jìn)行采樣檢測。在檢測后發(fā)現(xiàn)，循環(huán)水中的氯離子的含量比較高，而不銹鋼材料對于氯離子較為敏感，超量的氯離子會對鋼材產(chǎn)生腐蝕，進(jìn)而加速冷卻管管束的開裂。而且在管殼式換熱器中，管板脹接觸管束和管板之間存在死角，很容易形成死區(qū)，使得大量的氯離子積存在此處，過高含量的氯離子極易腐蝕304以及316L鋼材。其中檢測到的殼層循環(huán)水中的氯離子含量如表2所示。

表2 殼層循壞水氯離子含量

而304鋼材的抗腐蝕能力有限，雖然316L鋼材具有一定的抗點(diǎn)蝕性能，在很多鹵素離子環(huán)境下都能夠發(fā)揮其作用，但是卻不能夠應(yīng)用在鹽酸環(huán)境中，在氯離子達(dá)到一定濃度之后，這種鋼材就難以很好的抵御有害離子的腐蝕。S25073鋼材在抗腐蝕方面具備優(yōu)良的性能，能夠很好的應(yīng)對氯離子過多的情況。

3.3 熱應(yīng)力問題

最后一個導(dǎo)致循環(huán)冷卻器管束開裂的原因就是，換熱器在運(yùn)行的過程中，管束的入口溫度過高，而且管程內(nèi)外存在一定的溫差，各個換熱器中的換熱管之間也有一定的溫差，以及各種器件之間的溫差，產(chǎn)生了較大的溫差應(yīng)力，當(dāng)由此產(chǎn)生的熱應(yīng)力達(dá)到鋼材的承受能力時，就會引起鋼材的變形，最終引發(fā)冷卻器管束開裂。而原始管束使用的是304和316L鋼材，且管束的壁厚較薄，僅有1mm，加之304和316L兩種不銹鋼材的機(jī)械性能遠(yuǎn)不如S25073，在熱應(yīng)力較大的情況下，就會導(dǎo)致管束開裂。而S25073雙相不銹鋼具有較好的抗拉能力以及硬度，能夠很好的抵消掉由于溫度引起的熱應(yīng)力變化[3]。

4 循環(huán)冷卻器管束開裂故障預(yù)防措施

4.1 提高換熱效率

一般情況下除了由于換熱器管程內(nèi)外流體的流動速度導(dǎo)致?lián)Q熱效率降低之外，還需要注意由結(jié)垢引起的換熱率低的問題。在實(shí)際的生產(chǎn)過程中，在管束中產(chǎn)生的污垢也會對換熱器的工作效率產(chǎn)生影響，因?yàn)楦街诠苁系奈酃笗绊懻w的導(dǎo)熱系數(shù)，不利于換熱器工作，而其中污垢的形成主要是由一些不溶于水的鹽類以及油污、泥沙等雜質(zhì)形成。

經(jīng)上述分析，在提高冷卻器換熱效率方面，可以從以下兩個方面入手：一方面，合理增加介質(zhì)的流速，在壓降允許以及防止管材侵蝕的情況下，適當(dāng)加快流速，在設(shè)計(jì)的過程中還需要結(jié)合考慮由于流速增加引起阻力增加的問題，因此需要權(quán)衡二者之間的利弊，選擇最佳流速。根據(jù)換熱介質(zhì)的特點(diǎn)以及實(shí)際情況，選擇合適的、實(shí)用性強(qiáng)的異形管，通過添加肋片或者低翅片等，能夠有效減少管內(nèi)結(jié)垢。另一方面，要重視換熱器的維護(hù)，定期對其進(jìn)行清洗，清除管束當(dāng)中的雜物、污垢等，減少對于傳熱的影響，一般換熱器有機(jī)械、化學(xué)等清洗方法，根據(jù)實(shí)際情況選擇合適的清洗方式。加強(qiáng)對于循環(huán)用水的處理，在循環(huán)水進(jìn)入設(shè)備之前將其軟化，減少污垢的形成。

4.2 做好防腐措施

腐蝕故障是換熱器運(yùn)行過程中的常見問題，如果缺少相應(yīng)的防護(hù)管理，那么在管束內(nèi)一定會發(fā)生腐蝕情況，一旦發(fā)生腐蝕，將會影響企業(yè)的正常生產(chǎn)作業(yè)，因此需要加強(qiáng)對于管束的防腐措施，避免類似情況發(fā)生，使得企業(yè)遭受經(jīng)濟(jì)損失。比較簡單的防護(hù)措施就是配置相應(yīng)的防腐溶液，將其涂刷在熱換器芯部的表面，以此形成保護(hù)膜，對管束起到一定的防護(hù)作用。事實(shí)上，這種方式能夠起到很好的防腐作用，有效延長了管束的使用壽命，目前，由于這種方法經(jīng)濟(jì)方便，在化工企業(yè)中已經(jīng)得到了廣泛的運(yùn)用。在使用這種方法的同時，需要注意定期對設(shè)備進(jìn)行檢修和維護(hù)，加強(qiáng)對保護(hù)膜的檢查，如果發(fā)現(xiàn)保護(hù)膜出現(xiàn)破損情況，一定要及時進(jìn)行修補(bǔ)。另外，建議使用抗腐蝕性能較強(qiáng)的鋼材，在案例中就是由于使用了S25073雙相鋼材，很好的承受住了循環(huán)水中氯離子的腐蝕。

4.3 降低溫差應(yīng)力

在實(shí)際工作的過程中，如果只需要考慮溫差應(yīng)力產(chǎn)生時管束的承受能力是否足以應(yīng)對這種情況，那么通過增加管材的厚度是非常直接的提高管材抗應(yīng)力的方法，例如，在本公司應(yīng)對冷卻器管束開裂故障時，就采用了此方法，將管束壁厚由原先的16×1mm升級為16×2mm，以此抵抗由溫差產(chǎn)生的應(yīng)力問題。除了需要考慮這種管束的溫差應(yīng)力同時，還對管板的機(jī)械強(qiáng)度有一定要求時，可以選用有一定彈性的管板，這種管板為圓弧狀，不僅能夠有效應(yīng)對熱應(yīng)力產(chǎn)生的壓力，其具有彈性而發(fā)生變形的位置還能夠在一定程度上起到吸收熱膨脹值的作用。

另外，還可以通過降低管殼軸向剛度的方式，緩解溫差應(yīng)力。當(dāng)管殼產(chǎn)生較大膨脹差值的時候，這種情況下的熱應(yīng)力就會比較大，可以通過在上面安置膨脹節(jié)的方式降低應(yīng)力，確保管板以及管束之間能夠銜接良好，避免拉脫，而且這種方法經(jīng)濟(jì)便捷。值得注意的是，在安裝膨脹節(jié)的過程中，為了使其能夠充分發(fā)揮作用，要盡量靠近管板，遠(yuǎn)離折流板，而且膨脹節(jié)上的波形建議設(shè)置在6個以下[4]。

5 結(jié)語

綜上所述，循環(huán)冷卻器管束在更換了S25073換熱管之后沒有再發(fā)生開裂故障，經(jīng)過對比研究發(fā)現(xiàn)管束開裂的原因，因此在之后的運(yùn)行過程中，應(yīng)加強(qiáng)對于換熱效率、防腐以及熱應(yīng)力的設(shè)計(jì)，采取相應(yīng)的維護(hù)措施。相信通過對循環(huán)尾氣壓縮機(jī)循環(huán)冷卻器管束開裂的原因進(jìn)行詳細(xì)分析之后，管束開裂問題將會得到良好解決。通過以上分析希望能夠?yàn)橄嚓P(guān)從業(yè)人員提供參考，幫助各企業(yè)降低管束故障發(fā)生的概率。