摘 " " "要： 海水換熱器作為FPSO原油處理系統(tǒng)中的原油冷卻裝置，對(duì)原油處理、儲(chǔ)存、外輸至關(guān)重要。針對(duì)海水換熱器在使用中出現(xiàn)的串流故障，提出了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急處理辦法，并且對(duì)產(chǎn)生串流故障的原因展開(kāi)了分析，制定了下一步檢修計(jì)劃，為海上油田同類(lèi)型的海水換熱器故障檢修提供了參考依據(jù)。

關(guān) "鍵 "詞：FPSO；海水換熱器；串流

中圖分類(lèi)號(hào)：TK172 " " " "文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A " " "文章編號(hào)： 1004-0935（2023）07-0989-04

某海上油田由井口平臺(tái)、海底管道和浮式生產(chǎn)儲(chǔ)卸裝置（FPSO）構(gòu)成，其中FPSO是該海上油田的處理終端設(shè)施，作用是通過(guò)海底輸油管道接收從井口平臺(tái)油井產(chǎn)出的油、氣、水混合液，經(jīng)過(guò)FPSO上的原油處理系統(tǒng)進(jìn)行脫水、脫氣處理后形成合格的原油[1]。處理合格的原油含水要求低于0.5%，并且在70 ℃時(shí)的雷諾蒸汽壓RVP≤10 psi、 " " "TVP≤12 psi，最大含鹽量小于20 PTB。這些處理合格后的原油會(huì)輸送到FPSO上的貨油艙暫時(shí)儲(chǔ)存，當(dāng)?shù)竭_(dá)經(jīng)濟(jì)外輸量后，利用外輸系統(tǒng)輸送到穿梭油輪，通過(guò)海運(yùn)送到指定煉油廠(chǎng)進(jìn)一步煉化。

經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，在原油處理過(guò)程中，提高原油溫度可以有效降低原油黏度以及提高原油輕質(zhì)組分的揮發(fā)程度[2]，有利于原油脫水、脫氣，提高油、氣、水三相分離效率。因此在FPSO原油處理系統(tǒng)中使用熱介質(zhì)換熱器進(jìn)行三級(jí)加熱，在原油處理過(guò)程中將原油溫度從70 ℃提高到了105 ℃。雖然原油溫度提高有利于原油的處理，但是受到貨油艙設(shè)計(jì)和艙壁防腐涂層的限制，溫度在105 ℃原油直接進(jìn)入貨油艙后會(huì)導(dǎo)致艙室發(fā)生形變，并且加劇艙室板材的腐蝕，因此在原油下入貨油艙之前需要降低原油溫度。為了防止下艙原油破壞貨油艙，F(xiàn)PSO原油處理系統(tǒng)在原油加工合格后，下艙成品原油通過(guò)海水換熱器，將成品原油溫度降至69 ℃以下，再進(jìn)入貨油艙儲(chǔ)存。 因此海水換熱器運(yùn)行情況關(guān)系到整個(gè)FPSO原油處理、儲(chǔ)存的穩(wěn)定，對(duì)船體結(jié)構(gòu)安全、使用壽命起著舉足輕重的作用。

1 "海水換熱器簡(jiǎn)介

熱交換器是將不同溫度介質(zhì)之間的熱量通過(guò)熱傳導(dǎo)的形式，由高溫介質(zhì)傳遞給低溫介質(zhì)，使介質(zhì)達(dá)到生產(chǎn)所需溫度的工藝設(shè)備[3]。為提高換熱的效率，海洋石油處理系統(tǒng)常采用殼管式換熱器，殼管式換熱器大量用于原油換熱器、熱處理器預(yù)熱器、計(jì)量原油加熱器、乙二醇加熱、海水換熱器等，其構(gòu)成部件包括管板、管束、隔板、殼體、封頭等。作為管殼式換熱器的一種，海水換熱器使用低溫海水作為制冷劑，其成本低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，冷卻效果明顯，廣泛應(yīng)用于海上采油領(lǐng)域。因此海水換熱器是原油處理系統(tǒng)使用最廣泛的一種關(guān)鍵設(shè)備。

根據(jù)實(shí)際使用情況中不同的介質(zhì)、不同的工作條件、不同的溫度、不同的壓力等影響，采用的海水換熱器結(jié)構(gòu)類(lèi)型也不同[4]。目前，某海上油田FPSO原油處理系統(tǒng)使用的海水換熱器結(jié)構(gòu)是殼管式換熱器中的一類(lèi)浮頭式換熱器，其內(nèi)部管板一邊是通過(guò)螺栓和換熱器外部殼體相連，固定在殼體上，不能發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，另一端沒(méi)有約束，可以相對(duì)于殼體發(fā)生移動(dòng)。由于這種特殊的結(jié)構(gòu)，在浮頭式換熱器的管束和殼體在發(fā)生熱變形后，兩者可以發(fā)生相對(duì)移動(dòng)，因而不會(huì)造成應(yīng)力集中，這種特性使浮頭式換熱器特別適合用于兩種換熱流體的溫度差值比較大的情況。

某海上FPSO原油處理系統(tǒng)使用的海水換熱器設(shè)備型號(hào) BE6900-0.77/1.15-170-3.62/19-2I，材質(zhì)是BFe30-1-1，容器凈重7 336 kg，換熱面積達(dá)170 m2，其設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1。該海水換熱器的管程流體是海水，管束共有816根，規(guī)格為19 mm×2 mm，海水通過(guò)離心泵加壓從海中抽汲到管束內(nèi)，換熱后的海水再次排入海內(nèi)。殼程流體是成品原油，高溫的成品原油從換熱器的殼體流入，由于隔板的阻擋，在殼體內(nèi)程往復(fù)向前流動(dòng)過(guò)程中，與管程內(nèi)的低溫海水進(jìn)行充分的熱量交換，最終成品原油溫度從105 ℃降到69 ℃。

2 "故障現(xiàn)象及影響

在海水換熱器的海水入口處安裝有海水過(guò)濾 器[5]。該過(guò)濾器是防止離心海水泵抽汲上來(lái)的泥砂和海洋生物進(jìn)入海水換熱器中堵塞管束。為了保證海水換熱器正常運(yùn)行，需要對(duì)過(guò)濾器進(jìn)行定期維保，F(xiàn)PSO維保人員在對(duì)過(guò)濾器進(jìn)行日常維保時(shí)，發(fā)現(xiàn)在過(guò)濾器濾網(wǎng)中存在殘余的黑色浮油。立即對(duì)過(guò)濾器濾網(wǎng)內(nèi)浮油進(jìn)行取樣，在化驗(yàn)室中進(jìn)行組分化驗(yàn)分析，通過(guò)把浮油的組分和成品原油的組分進(jìn)行綜合比對(duì)，最終確定濾網(wǎng)內(nèi)浮油來(lái)自于海水換熱器殼程內(nèi)的成品原油。

針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)流程判斷，當(dāng)海水換熱器發(fā)生串流后，會(huì)導(dǎo)致部分成品原油從換熱器的殼程進(jìn)入到管程中，最終成品原油會(huì)匯入到海水系統(tǒng)中，造成原油泄漏。原油泄漏不僅會(huì)造成海水污染，破壞海洋生態(tài)環(huán)境，而且造成原油損失，油田產(chǎn)量不達(dá)標(biāo)，因此需要立即解決。

3 "應(yīng)對(duì)措施

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)情況，為了防止事態(tài)進(jìn)一步惡化，F(xiàn)PSO維保人員打開(kāi)海水換熱器旁通，使成品原油暫時(shí)通過(guò)旁通直接進(jìn)入貨油艙室，之后下線(xiàn)海水換熱器。隔離海水換熱器原油、海水流程，關(guān)閉管程、殼程的進(jìn)出口管線(xiàn)相關(guān)閥門(mén)，將殼程中原油的液位排放到最低后掛牌、鎖定排放管線(xiàn)閥門(mén)，并且對(duì)原油、海水進(jìn)出口管道加插式盲板進(jìn)行封堵[6]。

將海水換熱器離線(xiàn)隔離后，用氮?dú)鈱?duì)海水換熱器的管程和殼程進(jìn)行試壓，觀察海水換熱器的殼程和管程是否相互連通。 在壓力測(cè)試之前，應(yīng)清洗海水換熱器管束以清除海水換熱器管中任何殘留的水漬，并在壓力測(cè)試過(guò)程中查明特定的泄漏管束。試壓時(shí)，在海水換熱器管程側(cè)通入氮?dú)猓岣邏毫Φ?.5 MPa，觀察殼程側(cè)壓力表，發(fā)現(xiàn)換熱器殼程壓力也隨著不斷升高，直至與管程側(cè)壓力相等，測(cè)試結(jié)果如表2所示。當(dāng)向海水熱交換器殼程注入氮?dú)鈺r(shí)，也會(huì)出現(xiàn)同樣的壓力上升現(xiàn)象。這表明該海水換熱器的殼程和管程之間有一個(gè)或者多個(gè)連通點(diǎn)，形成了串流，導(dǎo)致一側(cè)升高壓力，另一側(cè)壓力也隨之 " 變化。

縱觀以往故障的總結(jié)，海水換熱器發(fā)生串流故障的常見(jiàn)原因主要有以下3點(diǎn)[7]：浮頭蓋的墊片隨著時(shí)間的推移已經(jīng)老化或損壞，或者被壓縮變形[8]；換熱管被海水腐蝕，發(fā)生穿孔；換熱管焊道缺陷。

針對(duì)浮頭式換熱器串流常見(jiàn)原因[9]，進(jìn)行逐條排查。排查計(jì)劃如下：

1）浮頭蓋墊片檢查。拆除換熱器外頭蓋管箱露出浮頭蓋對(duì)管程進(jìn)行氣密性試驗(yàn)可檢驗(yàn)浮頭蓋密封情況，當(dāng)浮頭蓋墊片泄漏時(shí)用泡沫水噴灑可發(fā)現(xiàn) "漏點(diǎn)。

2）換熱管束檢查。確認(rèn)浮頭蓋密封嚴(yán)密后，在管側(cè)進(jìn)行靜水壓試驗(yàn)。 如果換熱管泄漏，水將從管束中流出。結(jié)合配套試壓盤(pán)可確認(rèn)具體換泄漏熱管編號(hào)。

3）換熱管焊道檢查。與上一步類(lèi)似，如果管束漏水，則可確定換熱管焊道漏水位置。

拆下外頭蓋并進(jìn)行工藝隔離后，在管側(cè)進(jìn)行氣密性測(cè)試，發(fā)現(xiàn)浮頭蓋墊片處有明顯漏氣現(xiàn)象。 現(xiàn)場(chǎng)人員拆下浮頭蓋時(shí)，發(fā)現(xiàn)墊片散落幾段，失去了密封作用。 可以確定原因是換熱器浮頭蓋的墊片密封失效[10]，換熱器發(fā)生串流。

確定故障原因是墊片密封失效后，清理浮頭蓋密封面后，安裝同尺寸齒形墊片替換之前墊片。安裝結(jié)束后展開(kāi)氣密試驗(yàn)，管程保壓30 min，在墊片密封面噴泡沫水，沒(méi)有起泡沫。之后在管側(cè)進(jìn)行水壓試驗(yàn)，管束沒(méi)有水流出，說(shuō)明管側(cè)的密封性良好。 之后，重新裝上外頭蓋，進(jìn)行殼側(cè)氣密性試驗(yàn)，殼側(cè)壓力保持180 min，試驗(yàn)結(jié)果顯示殼程壓力不降，泡沫水檢查無(wú)泄漏，證明外頭蓋墊片密封性良好。

在換熱器回裝結(jié)束，為保證管殼程絕對(duì)密封，對(duì)換熱器進(jìn)行終檢。終檢時(shí)，在殼程安裝一個(gè)帶有高靈敏度刻度的壓力表，在管程進(jìn)行正常的氣密性試驗(yàn)。 在3 h的壓力測(cè)試過(guò)程中，殼側(cè)壓力表在氣密性測(cè)試過(guò)程中沒(méi)有變化。這表明管側(cè)密封良好，故障已解決，海水換熱器恢復(fù)運(yùn)行[11]。

4 "原因分析

通過(guò)海水換熱器浮頭蓋墊片損壞情況以及查閱熱交換器裝配標(biāo)準(zhǔn)，可推斷出浮頭蓋密封面過(guò)窄是墊片損壞、發(fā)生串流的根本原因。

根據(jù)《熱交換器》（GB/T151—2014）中要求浮頭式換熱器浮頭蓋密封面寬度應(yīng)為密封面外徑與浮頭法蘭內(nèi)徑之差除以2，即：

L=[（Dc+2×1.5）-Dfi]÷2。 " " " "（1）

Dc=Di-2b1。 " " " " " " （2）

Dfi=Di-2（b1+b2）+3。 " " " " " （3）

式中：L-浮頭蓋密封面寬度；

Dc—浮動(dòng)管板外徑；

Dfi—浮頭法蘭內(nèi)徑；

Di—換熱器殼體內(nèi)徑；

b1、b2—修正系數(shù)，見(jiàn)表3。

該換熱器殼體內(nèi)徑Di=900 mm，其中b1、b2值可查表。

由此公式可得浮頭蓋密封面寬度L=17.5 mm，而實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量密封面寬度約為10 mm左右。密封面寬度小于《熱交換器》（GB/T151—2014）中的標(biāo)準(zhǔn)要求[12]。

如果密封面太窄，需要增加螺栓的擰緊力，以保證密封良好，但是用力過(guò)大會(huì)使墊片變形和損 "壞[13]。而且在浮頭蓋密封面比標(biāo)準(zhǔn)窄情況下，墊片仍使用標(biāo)準(zhǔn)纏繞墊片，纏繞墊片寬于密封面的纏繞部分就會(huì)散落，長(zhǎng)時(shí)間會(huì)破壞墊片結(jié)構(gòu)使墊片失效。

本次檢修中浮頭蓋墊片由纏繞墊片更換為齒形墊片，雖然兩種墊片使用工況相同，但結(jié)構(gòu)上齒形墊片面對(duì)尺寸較窄的密封面有更好的穩(wěn)定性，壓緊后不易散落。但是為了保證海水換熱器的運(yùn)行穩(wěn)定性，下一步需要將海水換熱器的浮頭蓋更換為標(biāo)準(zhǔn)密封面浮頭蓋，以滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求。

5 "結(jié) 論

海水換熱器發(fā)生串流的原因復(fù)雜多樣，后果嚴(yán)重。 本文針對(duì)海水換熱器串流后制定試驗(yàn)方案，通過(guò)壓力試驗(yàn)、數(shù)據(jù)審核、現(xiàn)場(chǎng)組合等方法，準(zhǔn)確判斷浮頭蓋墊片損壞情況，總結(jié)出浮頭蓋的密封面寬度過(guò)窄是產(chǎn)生故障的根本原因。

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Analysis and Solution of Internal Leakage

Fault of Seawater Heat Exchanger

ZHAO Wei， ZHANG Ning， CAO Zhi-xing， LIANG Bo

（CNOOC Energy Technology amp; Services-Oil Production Services CO.， Tianjin 300452， China）

Abstract： "As the crude oil cooling device in the FPSO crude oil processing system， the seawater heat exchanger is very important for crude oil processing， storage and transportion. When the seawater heat exchanger is in use， the phenomenon of cross flow often occurs. In this paper， the on-site treatment method was put forward， and the reasons for the cross flow were analyzed， and the next maintenance plan was formulated， providing some reference for troubleshooting the same type of seawater heat exchanger in offshore oil fields.

Key words： Floating production storage amp; offloading; Seawater heat exchanger; Leakage fault