王兆堃，陳 滿，張 富，張型波，楊春天，哈國濤，馬玉鳳

（1.甘肅藍(lán)科石化高新裝備股份有限公司，甘肅 蘭州 730070；2.甘肅省民航建設(shè)（集團(tuán)）有限公司，甘肅 蘭州 730070）

某公司重油蒸汽發(fā)生器投用后存在滿負(fù)荷時產(chǎn)汽量不足，并于兩年后出現(xiàn)管束泄漏失效。應(yīng)該公司需求，對該重油蒸汽發(fā)生器進(jìn)行失效分析并提出整改建議。

1 設(shè)備結(jié)構(gòu)、參數(shù)及流程

1.1 參數(shù)

重油蒸汽發(fā)生器為臥式浮頭式換熱器結(jié)構(gòu)，其設(shè)計(jì)參數(shù)見表1、表2。

表1 設(shè)計(jì)工藝參數(shù)表

表2 結(jié)構(gòu)參數(shù)表

1.2 流程

重油蒸汽發(fā)生器管程走重油，殼程進(jìn)口為水、出口為水和蒸汽。初始設(shè)計(jì)重油由管程上部接管流入，經(jīng)管束換熱后由經(jīng)管程下部接管流出；給水先進(jìn)入重油蒸汽發(fā)生器頂部汽包與汽包內(nèi)熱水混合后由汽包下降管流入重油蒸發(fā)器，在殼體內(nèi)經(jīng)與管束內(nèi)重油換熱后產(chǎn)生蒸汽與熱水混合后由殼體上部接管進(jìn)入上升管流入汽包，所產(chǎn)生蒸汽由汽包頂部蒸汽接管流出[1-2]。如圖1 所示。

圖1 流程及結(jié)構(gòu)示意簡圖

2 運(yùn)行問題

2.1 產(chǎn)汽量不足

當(dāng)裝置滿負(fù)荷運(yùn)行時，產(chǎn)汽量不達(dá)標(biāo)，裝置能耗升高。重油蒸汽發(fā)生器典型運(yùn)行參數(shù)見表3。

表3 典型運(yùn)行參數(shù)表

根據(jù)原設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和現(xiàn)滿負(fù)荷典型運(yùn)行參數(shù)數(shù)據(jù)，由工藝選型模擬軟件（HTRI8.1）進(jìn)行模擬運(yùn)行參數(shù)見表4。

表4 模擬運(yùn)行參數(shù)表

對比表3 和表4，在已考慮污垢影響的條件下，重油蒸汽發(fā)生器現(xiàn)場操作比設(shè)計(jì)少產(chǎn)蒸汽1.6t/h，實(shí)際產(chǎn)汽量未達(dá)標(biāo)。

2.2 管束失效

管束從殼程下降管入口部分換熱管出現(xiàn)多處波狀凹槽或凹坑缺陷，缺陷由管束下部到管束上部逐漸減少，并在管程重油入口端較為嚴(yán)重，凹坑最深處已出現(xiàn)穿孔[3]。

管束殼程入口處典型失效圖片如圖2 所示，截取管束殼程入口處典型失效換熱管的如圖3 所示。

圖2 典型管束殼程入口失效圖片

圖3 典型換熱管失效圖片

重油蒸汽發(fā)生器失效已嚴(yán)重影響了裝置的能耗和正常使用。為降低裝置能耗、降低重油蒸汽發(fā)生器失效風(fēng)險(xiǎn)、使裝置能夠正常運(yùn)行，本文對該工位重油蒸汽發(fā)生失效原因進(jìn)行了分析并提出了改進(jìn)措施。

3 產(chǎn)汽量不達(dá)標(biāo)分析

經(jīng)重油蒸汽發(fā)生器原設(shè)計(jì)圖與現(xiàn)場設(shè)備安裝對比發(fā)現(xiàn)：原設(shè)計(jì)圖與現(xiàn)場設(shè)備圖結(jié)構(gòu)一致，但重油流程不同。原設(shè)計(jì)流程中重油蒸汽發(fā)生器重油由管箱上方接管流入、換熱后由管箱下方接管流出；而現(xiàn)場重油由管箱下方接管流入、從管箱上方接管流出，與原設(shè)計(jì)圖相反。該差異造成的結(jié)果為原設(shè)備冷熱流體流程為交錯流＋逆流，現(xiàn)場設(shè)備冷熱流體為交錯流＋順流，如圖4 所示[4]。

圖4 現(xiàn)場與設(shè)計(jì)流程對比圖

經(jīng)工藝核算，按現(xiàn)場典型運(yùn)行參數(shù)，現(xiàn)場設(shè)備有效對數(shù)傳熱溫差為53.5℃,而按原設(shè)計(jì)流程有效對數(shù)傳熱溫差應(yīng)為63.5℃。根據(jù)換熱器對流傳熱計(jì)算公式：

其中Q 為熱負(fù)荷，K 為總的對流傳熱系數(shù)，S 為換熱面積，ΔT 為有效對數(shù)傳熱溫差。

可知換熱量與有效對數(shù)傳熱溫差成正比，而產(chǎn)汽量大小又與換熱量成正比，進(jìn)而產(chǎn)汽量與有效對數(shù)傳熱溫差成正比。由于現(xiàn)場設(shè)備有效對數(shù)傳熱溫差降低，產(chǎn)汽量會明顯減少。該重油蒸汽發(fā)生器產(chǎn)汽量不足也多因于此。

另外，重油污垢系數(shù)大、換熱管內(nèi)結(jié)垢嚴(yán)重，從一定程度上降低了重油蒸汽發(fā)生器傳熱效率，設(shè)備產(chǎn)汽量減少。

4 失效分析

通過掃描電鏡對換熱管外壁凹槽部位形貌進(jìn)行觀察，如圖5 所示。

圖5 換熱管外壁電鏡掃描圖

凹槽底部呈酸性水腐蝕特征，晶界清晰、截面光滑；凹槽邊緣呈沖刷特征，存在多條平行波紋狀溝槽，波紋方向與宏觀溝槽方向基本一致。

對換熱管外壁及現(xiàn)場殼程垢物進(jìn)行EDS 分析，分析結(jié)果見表5。

表5 換熱管外壁及現(xiàn)場殼程垢物EDS 分析

管外壁垢物及現(xiàn)場殼程垢物中均含有較多黑色致密的Fe 的氧化物，并含有一定量的Si 元素，這種垢物是在換熱器運(yùn)行過程中產(chǎn)生的，疑為殼程水質(zhì)的氧和硅含量超標(biāo)，換熱管在運(yùn)行中發(fā)生結(jié)垢并由此引發(fā)垢下腐蝕。垢物中含有的少量硫元素，疑為殼程水質(zhì)中含有的微量硫酸鹽濃縮產(chǎn)物，或是換熱管泄漏后，清洗和水壓試驗(yàn)的余水濃縮后的沉積物。

根據(jù)GB/T 223 鋼鐵及合金化學(xué)分析方法對換熱管進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果見表6。表中數(shù)據(jù)表明：換熱管化學(xué)成分符合GB/T 699 中10 鋼的要求。

表6 換熱管化學(xué)成分分析

依據(jù)GB/T 13298 的評定，試樣經(jīng)機(jī)械拋光，采用硝酸酒精溶液腐蝕，金相組織為鐵素體+珠光體，換熱管外壁存在腐蝕產(chǎn)物及腐蝕坑，如圖6 所示。

圖6 金相組織和腐蝕形態(tài)

由換熱管的失效腐蝕特征初步判斷，換熱管失效主要來自于管外側(cè)，主要原因?yàn)闆_刷腐蝕或氣蝕減薄。

初始設(shè)計(jì)時，管程側(cè)熱流重油的上進(jìn)下出，管束上部為高溫區(qū)域和主要產(chǎn)汽區(qū)域，所產(chǎn)蒸汽經(jīng)過較小的阻力，經(jīng)殼程上部上升管流出設(shè)備，整體流程順暢，基本不會發(fā)生氣泡上升時由于阻力太大而出現(xiàn)的氣錘和氣蝕現(xiàn)象。而現(xiàn)場結(jié)構(gòu)管程側(cè)重油下進(jìn)上出，使管束下部成為高溫區(qū)域和主要產(chǎn)汽區(qū)，在該區(qū)域內(nèi)所產(chǎn)生蒸汽需經(jīng)管束截面由下往上流動，上升過程中不斷經(jīng)過換熱管而產(chǎn)生較大阻力產(chǎn)生氣泡爆裂，會對換熱管產(chǎn)生氣錘和氣蝕，從而造成管束失效[5]。

此外，該重油蒸汽發(fā)生器安裝于地面基礎(chǔ)上，汽包安裝高度約10m，較高的汽包安裝高度造成汽水循環(huán)倍率較大，設(shè)備管束殼程進(jìn)口流速較高。殼程進(jìn)口位于設(shè)備現(xiàn)場安裝的第一、二管程，而此處為管束高溫區(qū)域，高溫區(qū)域管束產(chǎn)汽量較大，在此區(qū)域產(chǎn)生較大氣泡會被進(jìn)入此區(qū)域的高速水流沖破，被沖破的氣泡破裂形成真空低壓區(qū)，進(jìn)入該真空低壓區(qū)的高壓、高速水流對換熱管表面形成打擊破壞，擊打換熱管頻次過多，會造成管束汽蝕失效。

原設(shè)計(jì)裝置重油流量為200t/h，現(xiàn)裝置重油流量為210t/h，失效設(shè)備超負(fù)荷運(yùn)行導(dǎo)致重油流速升高，高流速對應(yīng)高傳熱效率，最后殼程蒸發(fā)速率會升高，進(jìn)而加速了管束汽蝕。

5 結(jié)論

重油蒸汽發(fā)生器產(chǎn)汽量不達(dá)標(biāo)的主要誘因包括：

（1）重油側(cè)流程的與原設(shè)計(jì)的差異導(dǎo)致傳熱溫差降低，影響重油蒸汽發(fā)生器傳熱效率，產(chǎn)汽量降低。

（2）重油側(cè)污垢系數(shù)大，換熱管內(nèi)嚴(yán)重結(jié)垢，影響重油蒸汽發(fā)生器傳熱效率，產(chǎn)汽量降低。

重油蒸汽發(fā)生器管束失效主要原因是汽蝕。結(jié)合設(shè)備現(xiàn)場使用情況，其主要誘因包括：

（1）管程側(cè)重油的下進(jìn)上出結(jié)構(gòu)；

（2）汽包安裝高度較高；

（3）裝置的超負(fù)荷運(yùn)行；

（4）換熱管內(nèi)結(jié)垢嚴(yán)重。

6 建議與對策

6.1 流程改造

為與原設(shè)計(jì)保持一致，將重油蒸汽發(fā)生器管程原油下進(jìn)上出變更為上進(jìn)下出，增大重油蒸汽發(fā)生器傳熱溫差、提高產(chǎn)汽量，管束高溫區(qū)也由下部轉(zhuǎn)變?yōu)樯喜俊?/p>

6.2 結(jié)構(gòu)改進(jìn)

管束殼程進(jìn)口處增加防沖板或防沖管，避免殼程流體對管束的沖擊。

6.3 操作建議

（1）由于現(xiàn)場無法變更汽包安裝高度，所以在操作上盡量維持在滿負(fù)荷或低于滿負(fù)荷運(yùn)行。

（2）當(dāng)重油蒸發(fā)器結(jié)垢嚴(yán)重時，即設(shè)備管程壓降明顯增高時，應(yīng)及時清理管束內(nèi)污垢，恢復(fù)設(shè)備傳熱效率。

（3）應(yīng)嚴(yán)格控制殼程給水水質(zhì)，避免因水質(zhì)不達(dá)標(biāo)誘導(dǎo)或加重設(shè)備腐蝕失效。

7 結(jié)論

改造后重油蒸汽發(fā)生器一次性試車成功，至今運(yùn)行狀況良好，未出現(xiàn)產(chǎn)汽量不足和管束失效等狀情況，裝置能耗已達(dá)標(biāo)，并保證了裝置的長周期安全穩(wěn)定運(yùn)行。