吳保民，王 強(qiáng)，吳保軍

(錦西天然氣化工有限責(zé)任公司 遼寧葫蘆島 125001)

錦西天然氣化工有限責(zé)任公司現(xiàn)有裝置設(shè)計(jì)能力為日產(chǎn)1 000 t合成氨、1 760 t尿素。1993年合成氨裝置凈化崗位脫碳系統(tǒng)中投用了脫鹽水再沸器(100E14)，2001年2月該設(shè)備的筒節(jié)焊縫出現(xiàn)明顯泄漏，經(jīng)現(xiàn)場檢查，發(fā)現(xiàn)其殼側(cè)中部一段長1 620 mm的筒節(jié)兩端環(huán)焊縫及距環(huán)焊縫邊緣30～60 mm區(qū)域內(nèi)，先后出現(xiàn)多條平行于焊縫的橫向貫穿裂紋，裂紋呈現(xiàn)軸線撕裂狀。為了避免主裝置停車，只能采用在線貼補(bǔ)的方法暫時(shí)將泄漏點(diǎn)蓋住，其間泄漏點(diǎn)附近又產(chǎn)生l條新的裂紋，再次進(jìn)行貼補(bǔ)。直至2001年6月年度大檢修時(shí)，將該設(shè)備整體運(yùn)回制造企業(yè)，更換損壞筒節(jié)并加裝膨脹節(jié)進(jìn)行徹底修復(fù)。

1 原因分析

1.1 工藝條件

來自低溫變換裝置2.85 MPa、230 ℃的工藝氣進(jìn)入冷凝液再沸器(100E12)，溫度降至158 ℃進(jìn)入溶液再沸器(100E13)，溫度降至140 ℃進(jìn)入100E14管側(cè)，進(jìn)一步降溫至104 ℃進(jìn)入吸收塔入口分離器(100V8)。來自冷凝液水泵(100P23 A/B)的43 ℃脫鹽水經(jīng)貧液冷卻器(100E15)加熱至73 ℃后進(jìn)入100E14殼側(cè)，進(jìn)一步加熱至126 ℃后送至除氧器(100V29)。

1.2 設(shè)備參數(shù)

100E14的結(jié)構(gòu)為固定管板式換熱器，殼體直徑D=1 100 mm，壁厚δ=10 mm，材質(zhì)為0Cr18Ni9；換熱管規(guī)格為Ф 25 mm×2 mm×7 500 mm，材質(zhì)為0Cr18Ni9，共923根。100E14的設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。

表1 100E14的設(shè)計(jì)參數(shù)

1.3 失效分析

脫鹽水再沸器運(yùn)回制造企業(yè)進(jìn)行修復(fù)時(shí)，將損壞的筒節(jié)用碳弧氣刨方法切割清除，發(fā)現(xiàn)中部筒節(jié)兩端環(huán)焊縫及邊緣出現(xiàn)多條橫向裂紋，裂紋走向平行于環(huán)焊縫，分枝較少，屬于奧氏體不銹鋼的應(yīng)力腐蝕破裂。

在固定管板式換熱器中，由于殼程流體與管程流體之間存在溫差，造成工作狀態(tài)時(shí)殼體和管束的熱變形量不相同，在使用過程中引起殼體和管束間產(chǎn)生膨脹差[1]。殼體和換熱管通過剛性較高的管板固定在一起，從而使殼體和換熱管受到軸向應(yīng)力。換熱器在加工制造過程中，殼體的組對(duì)與焊接存在殘余應(yīng)力。設(shè)備運(yùn)行時(shí)，承受著設(shè)備本身的重力和管道中流體的重力。以上的軸向應(yīng)力與殘余應(yīng)力以及設(shè)備本身和流體重力等因素的疊加，使殼體所受拉應(yīng)力超過應(yīng)力腐蝕裂紋的臨界應(yīng)力。因此，100E14的2次泄漏，主要是原始設(shè)計(jì)中換熱器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)存在缺陷，由管程和殼程溫差所產(chǎn)生的軸向應(yīng)力與外界因素綜合所致。為了降低軸向應(yīng)力，最初曾考慮調(diào)節(jié)折流板的間距或增加管板的厚度，這些措施雖然較為經(jīng)濟(jì)，但制造周期長，不利于企業(yè)的連續(xù)生產(chǎn)，因此最終決定在100E14的殼體上設(shè)置波形膨脹節(jié)，對(duì)管子與殼體的熱膨脹差進(jìn)行補(bǔ)償，以降低殼體與管子因溫差而引起的軸向載荷[2]。泄漏部位及加裝膨脹節(jié)位置見圖1。

圖1 泄漏部位及加裝膨脹節(jié)位置

2 改造措施

2.1 理論依據(jù)

2.1.1 無膨脹節(jié)的固定管板式換熱器軸向溫差應(yīng)力

固定管板式換熱器的管子與殼體的拉伸與壓縮示意見圖2。

圖2 固定管板式換熱器的管子與殼體的拉伸與壓縮示意

在安裝溫度下，如圖2(a)所示，殼體與管子的有效長度L均為7 500 mm。在操作狀態(tài)下，如圖2(b)所示，殼體和管子由于溫度升高自由伸長，且管子的溫度tt高于殼體的溫度ts，勢(shì)必產(chǎn)生各自不同的伸長量，管子自由伸長量δt和殼體自由伸長量δs可分別用式(1)、(2)計(jì)算：

δt=αt(tt-t0)L

(1)

δs=αs(ts-t0)L

(2)

式中:αt、αs——管子和殼體材料的溫度膨脹系數(shù)，℃-1；

t0——安裝時(shí)的溫度，℃；

tt、ts——操作狀態(tài)下管子溫度和殼體溫度，℃。

但換熱管與殼體是通過管板連成一體的，如圖2(c)所示，管子與殼體的最終伸長量δ必須相等，因此管子受到壓應(yīng)力作用，殼體受到拉應(yīng)力作用，此拉、壓應(yīng)力就是溫差應(yīng)力。換熱管的膨脹量因受殼體的影響比充分膨脹減少了δt-δ，殼體因受換熱管的影響被拉伸了δ-δs，造成管子和殼體間產(chǎn)生了大小相等、方向相反的軸向溫差應(yīng)力，用F表示。

由于溫差而使殼體被拉長的總拉伸力應(yīng)等于所有管子被壓縮的總壓縮力。根據(jù)胡克定律可知管子被壓縮的量：

(3)

而殼體被拉伸的量：

(4)

式中：Et、Es——管子和殼體材料的彈性模量，MPa；

At——換熱管總截面面積，mm2；

As——?dú)け跈M截面面積，mm2。

以上兩式相加消去δ可得：

(5)

將式(1)和式(2)代入式(5)并整理，得管子或殼體的溫差軸向力：

(6)

管子溫差軸向力產(chǎn)生的壓強(qiáng)為：δt=F/At。

殼體溫差軸向力產(chǎn)生的壓強(qiáng)為：δs=F/As。

2.1.2 設(shè)置膨脹節(jié)的固定管板式換熱器軸向溫差應(yīng)力[3]

設(shè)置膨脹節(jié)后，由溫差引起的筒體軸向應(yīng)力用P表示。

如前所述，管子被壓縮的量：

(7)

殼體在設(shè)置膨脹節(jié)后，膨脹節(jié)使殼體產(chǎn)生了一個(gè)δp的伸長量，殼體被拉伸的量：

(8)

以上兩式相加消去δ可得：

(9)

由于δp取決于膨脹節(jié)的軸向剛度K和殼體軸向溫差應(yīng)力P，可知：

δp=P/K

(10)

將式(1)、式(2)和式(10)代入式(9)并整理，得管子或殼體的溫差軸向力：

(11)

管子溫差軸向力產(chǎn)生的壓強(qiáng)為：δt=P/At。

殼體溫差軸向力產(chǎn)生的壓強(qiáng)為：δs=P/As。

比較式(6)與式(11)可知，固定管板式換熱器設(shè)置膨脹節(jié)后，管子與殼體之間的軸向溫差應(yīng)力P比F明顯減小。

2.2 實(shí)施方案

針對(duì)100E14在運(yùn)行過程中2次出現(xiàn)橫向裂紋的問題，采用更換新筒節(jié)的方法修復(fù)設(shè)備。新筒節(jié)用2個(gè)半圓筒節(jié)包扎的工藝制造，并在下部加裝膨脹節(jié)。具體改造方案如下：

(1)在殼體上劃線，將出現(xiàn)裂紋的殼程中部長1 620 mm的筒節(jié)用碳弧氣刨方法切割去除，且保證兩切割口間的間距為1 800 mm，再用Ф 180 mm角向磨光機(jī)清除筒節(jié)上的碳化物，并按焊接工藝要求修磨外坡口，碳弧氣刨和磨削過程中注意保護(hù)換熱管。

(2)對(duì)兩端管子與管板的角焊縫進(jìn)行探傷檢查，然后對(duì)拆開筒體后露出的列管進(jìn)行檢查，最后對(duì)未發(fā)現(xiàn)裂紋的筒體全部進(jìn)行著色探傷檢查，若發(fā)現(xiàn)裂紋，則需進(jìn)行清除、補(bǔ)焊。

(3)2個(gè)半筒節(jié)加工好坡口后，進(jìn)行兩半圓筒節(jié)與再沸器上部殼體的組對(duì)以及兩半圓筒節(jié)間的組對(duì)(利用工裝)，并點(diǎn)焊定位，預(yù)留出長226 mm的距離，以利于組對(duì)膨脹節(jié)。

(4)將膨脹節(jié)從縱向中心處用銑床割為兩半，加工坡口后，把膨脹節(jié)用點(diǎn)固工裝組對(duì)到筒節(jié)上，保證補(bǔ)償器的安裝部位在支座與殼側(cè)入口之間。

(5)以上各處焊接需保證對(duì)接焊縫的間隙為2～3 mm，對(duì)口錯(cuò)邊量≤2 mm，定位焊采用手工鎢極氬弧焊。

(6)焊接采用手工鎢極氬弧焊打底，電弧焊填充并蓋面，先焊2道縱焊縫，再焊2道環(huán)焊縫，焊絲采用H0Cr21Ni10，焊條采用A102。焊接時(shí)嚴(yán)格執(zhí)行焊接工藝規(guī)范，保證全焊透結(jié)構(gòu)。

(7)焊縫表面質(zhì)量檢查：錯(cuò)邊量不大于2 mm，棱角度不大于2.8 mm，加強(qiáng)高2～3 mm為宜；著色探傷檢查。

(8)參照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《承壓設(shè)備無損檢測 第3部分：超聲檢測》(JB/T 4730.3—2016)對(duì)焊縫進(jìn)行20%超聲波探傷，Ⅱ級(jí)合格。

(9)焊縫經(jīng)檢查合格后，以1.375 MPa(表壓)進(jìn)行水壓試驗(yàn)。

在改造過程中，還要注意膨脹節(jié)在換熱器中的安裝位置[4]。膨脹節(jié)應(yīng)避開筒體內(nèi)折流板安裝，若折流板與膨脹節(jié)的位置重疊，一部分流體就會(huì)直接從膨脹節(jié)中流出，造成換熱效率的降低。特別是立式換熱器，還需考慮支座及梁的位置[5]，若膨脹節(jié)安裝在支座上面，既會(huì)承受由換熱器的自重而產(chǎn)生的軸向附加載荷，也會(huì)使支座下移，降低換熱器的穩(wěn)定性，因此膨脹節(jié)應(yīng)設(shè)置在支座的下面，盡可能置于換熱器的重心之下。

3 經(jīng)濟(jì)效益

(1)停車檢修帶來的經(jīng)濟(jì)損失

停車檢修100E14所需時(shí)間見表2，造成了一定的經(jīng)濟(jì)損失。

表2 停車檢修100E14所需時(shí)間

損失的氨產(chǎn)量：1 000×84÷24=3 500(t)。

折算為損失的尿素產(chǎn)量(每噸尿素氨耗為0.572 t)：3 500÷0.572=6 118.88(t)。

噸尿素按1 500元計(jì)，則損失產(chǎn)值：6 118.88×1 500÷10 000=917.83(萬元)。

(2)資金及工期

固定管板式換熱器改造后節(jié)約了資金，節(jié)省了工期，數(shù)據(jù)見表3。

表3 設(shè)備整體采購與加工維修所需費(fèi)用及工期

由表3可知，只更換100E14的筒節(jié)而不進(jìn)行整體更換，不僅節(jié)約了加工制造費(fèi)用，而且縮短了工期。

4 結(jié)語

100E14的改造只對(duì)筒節(jié)進(jìn)行了更換，投資少、工期短、見效快，解決了腐蝕泄漏問題，使設(shè)備的運(yùn)行周期大大延長，為裝置的安全、穩(wěn)定、長周期運(yùn)行創(chuàng)造了條件。改造后的再沸器運(yùn)行至今近20年未發(fā)生泄漏，完全滿足生產(chǎn)的需要，表明固定管板式換熱器增加膨脹節(jié)的修復(fù)方案可行。本次對(duì)換熱器殼體的成功處理，也為今后類似容器的故障處理提供了一種新的思路。