南堡联合站换热器泄漏原因研究及对策

申刚 薄会志 陈立涛 胡彩云

摘 要：本文针对冀东油田南堡联合站换热器内漏现状，重点对维温换热器、压缩机后水冷器和脱乙烷塔顶换热器泄漏问题进行了深入分析，从工作介质、换热器材质和日常操作等方面找出了产生问题的主要原因，并有针对性的提出了改进措施，取得了良好的效果。

关键词：换热器；应力；穿孔；腐蚀；改进措施

冀东油田南堡联合站自2009年投产至今，大型换热器发生内部泄漏4次，其中维温换热器内部管束泄漏1次，压缩机后水冷器内部管束穿孔2次，脱乙烷塔顶换热器内部泄漏1次。

1 维温换热器内漏问题研究（U形管换热器）

南堡联合站维温换热器于2009年投入使用，2011年发现内部管束泄漏。其管程运行介质为180℃左右的导热油，壳程介质为40℃左右含水约20%的原油。维温换热器属于U形管换热器，其内部结构如图1所示。

1.1 维温换热器管程外壁的腐蚀条件

换热管冷弯时的热塑性变形，在U形管弯管处外缘存在着较大的残余拉应力，同时U形管下直管段及弯管处存在着较大的由于温差产生的拉应力。

1.2 应力腐蚀开裂

在换热盘管处于拉应力情况下，又与腐蚀介质Cl-相接触，经过一段时间后，材料内部的微裂纹在拉应力及腐蚀介质的双向作用下扩展，并发展到整个断面从而引起应力腐蚀。应力腐蚀可以将裂缝的发生和发展分为三个阶段：金属表面生产钝化式保护膜；膜局部破裂，形成蚀孔式裂缝源；裂缝向纵深发展。前两个阶段，腐蚀都是在一个对流不通畅、闭塞的微区内进行，通称为闭塞电池腐蚀。

2 压缩机后水冷器内部管束穿孔问题研究（固定管板式换热器）

压缩机后水冷器是固定管板式换热器，由管箱、壳体、管板、管子等零部件组成，其结构较紧凑，管排较多，在相同直径下换热面积较大，具体构造见图4。

2.1 运行介质分析

南堡联合站压缩机后水冷器于2011年6月和2013年5月分别发生穿孔泄漏，该换热器材质为20#低碳钢。

2.2 硫化氢在潮湿环境下的电离

干燥的硫化氢对金属材料无腐蚀破坏作用，硫化氢只有溶解在水中才具有腐蚀性。硫化氢易溶于水，一旦溶于水，便立即电离，其水溶液具有酸性。硫化氢在水中的离解反应式为：H2S=H++HS-HS-=H++S2-。

2.3 硫化氢对水冷器管程外壁的腐蚀

在潮湿硫化氢环境下，水冷器管程外壁就会发生如下反应：

以上过程就造成了硫化氢溶液对水冷器管程外壁的腐蚀。

2.4循环水对水冷器管程内壁腐蚀的影响

对南堡联合站循环水取样分析可知，循环水中含有较多的K+、Na+、Ca+等阳离子和HCO3-、CO32-等阴离子。正常情况下CaCO3 与Ca（HCO3）2存在着以下动态平衡关系：

CaCO3+CO2+H2O Ca（HCO3）2

在循环水冷却过程中，容易使二氧化碳散失，因此上述平衡将向生成碳酸钙的方向移动，而碳酸钙的溶解度远远小于碳酸氢钙的溶解度。

3 脱乙烷塔顶换热器穿孔问题研究（板翅式换热器）

脱乙烷塔顶换热器属于板翅式换热器，其主要由多层通道叠加而成，每层通道中部是翅片、四周是封条、流体的进出口处为导流片，层与层之间是隔板。

3.1 脱乙烷塔顶换热器泄漏原因分析

一般板翅式换热器泄漏原因有三方面：焊接质量、各种腐蚀和应力过大造成拉裂。下面对以上三种情况进行分析研究。

（1）经过查找换热器设计说明书可知换热器出厂前经过严格的试验未发现异常，且经过前几年的使用均未发现异常，因此焊接质量问题可以排除。

（2）通过对换热器管道的研究，未发现明显的硫化氢或者其它腐蚀现象，因此，腐蚀问题基本可以排除。

（3）按照由国家能源局发布的NB/T47006-2009《铝制板翅式热交换器》标准要求：内部热应力的增加不应超过材料的强度极限，在可接受的限度之内，稳定状态下的铝制换热器通道之间（同一截面）的最大推荐允许温差为50℃，但在有相变流体以及在瞬间循环的条件下，推荐温差为20～30℃；同一流体的温度变化率应小于50℃/h。特别是在装置启运程中应当注意，在使用过程中换热器温升（或温降）不能过快，温度变化应该控制在2℃/分钟以内，以避免热应力冲击破坏换热器。

4 换热器泄漏问题解决措施

4.1 维温换热器

投运前确保先投运冷介质，后投运热介质，且投运热介质过程中注意控制温升速度，以不超过2℃/分钟为准。

4.2 压缩机后水冷器

建议对压缩机后水冷器更换为耐硫化氢腐蚀的不锈钢材質。

4.3 脱乙烷塔顶换热器

2012年底，南堡联合站对脱乙烷塔顶气相流程进行改造，将脱乙烷塔气相进重接触塔管线上单流阀改为气动调节阀，通过调节脱乙烷塔顶气流的流速从而控制重接触塔顶气相出冷箱温度。

5 总结

本文重点阐述了维温换热器、压缩机后水冷器、脱乙烷塔顶换热器的工作原理并重点分析了其泄漏的原因，针对不同的原因提出了改进措施，并在实践中检验是可行的，希冀能够对换热器安全运行有一定的指导作用。

参考文献

[1] 孙道青，张增芳.换热器泄漏简易判断方法[J].中国海上油气.2011（01）.