用于管壳式原油换热器在线清洗小球的性能研究

闫肃，曹正宇，廉美蓉，刘英凡，朱金辉

用于管壳式原油换热器在线清洗小球的性能研究

闫肃，曹正宇，廉美蓉，刘英凡，朱金辉*

（中海油节能环保服务有限公司，天津 300452）

管壳式原油换热器在石化工业中有广泛应用，在换热器管内结垢会增大热阻，影响换热，经济性变差，因此，需要对换热器进行清洗。研究用于管壳式原油换热器在线清洗的小球，将不同材质和不同形状的9种小球分别放置在240 ℃原油的高压反应釜内，进行连续搅拌72 h，之后采用数码显微镜进行表观分析以及采用电子万能试验机进行拉伸强度和伸长率测试，结果表明：氟橡胶和氢化丁腈橡胶的实心球均表现出较好的拉伸强度和伸长率，可用于高温原油换热器。

原油换热器；在线清洗；小球；拉伸强度

管壳式原油换热器在石化行业有广泛应用，在使用过程中，由于换热器间壁流体温差作用，及管程内壁流体所含矿化度的影响，常常造成管程内壁结垢，这不仅减少了管程流通横截面，而且也增大了换热阻力，降低了换热器换热效率,越来越受到人们的关注。近年来，随着油田的深度开采及聚合物驱油技术的广泛应用，原油品质逐渐发生变化，导致管壳式原油换热器结垢现象更加严重，影响了设备的正常运行和经济效益［1］。

管壳式换热器结垢因素包括流体的性质、速度、化学腐蚀、换热器各部分的几何尺寸等［2-5］。因此在设计阶段就要改善、优化换热器结构及运行参数使之不容易结垢、更方便清洗或自动除垢［6-8］。清洗技术主要包含物理清洗、化学清洗，以及物理和化学相结合的清洗［9,10］。清洗技术按清洗时是否停工、是否拆卸，可分为非在线清洗与在线清洗。非在线清洗技术清洗过程消耗大，洗净能力低、劳动强度大、清洗周期长，对环境污染大，且换热器的拆装存在重大安全隐患；在线清洗是指换热设备在运行过程中的清洗，在线清洗优势很大：第一，减少机械或化学清洗的停工时间，可节省停工清洗的劳力和费用；第二，延长运转时间，节约维修费用；第三，防止运行过程中的压降增加，提高传热效率，降低能耗；第四，换热设备清洗过程中设备不需停运，从而不影响整个生产工艺。目前，由于在线清洗技术的比较匮乏，我国石化领域管壳式换热器的清洗大多数还是采用非在线清洗技术，每年因换热器换热效率下降导致的维修费用居高不下，造成经济损失和浪费数以万计。因此，研发耐油、耐高温的新型管壳式换热器自动清洗系统，对解决石化行业管壳式换热器在线清洗技术难题意义重大,而清洗系统最重要的部件之一是清洗小球，选择合适的材料和形状，是清洗小球研究的主要方向。

本文对管壳式原油换热器在线清洗的9种小球展开耐油、耐磨、耐高温实验，分析小球变化，筛选出较合理的小球。

1 实验部分

1.1 原油物性参数

本研究采用的油品来自中海油某油气处理厂，其物性参数如表1所示。

表1 原油物性参数

1.2 清洗小球

针对拟安装在线清洗系统的原油换热器，选用不同材料制作了三种不同外形，但外径均为20 mm的清洗小球，其主要材料及外形如表2所示。

表2 清洗小球材质及外形

1.3 清洗小球的高压反应釜实验

为了保证实验小球的耐温、耐磨特性，实验在带有机械搅拌的高压反应釜（20 MPa，550 ℃）内进行，高压反应釜内装入原油和清洗小球，温度保持在240 ℃，反应釜搅拌器持续强力搅拌，连续实验72 h之后，取出进行表观测试和强度测试（表3）。

表3 原样和测试样表面的数码显微镜照片比较

1.4 清洗小球的表观测试

采用德国zeiss smartzoom 5数码显微镜进行表观测试。分辨率可达1 µm，最大移动行程大于30 mm。测试时通过显微镜仔细观察小球的各个部位，查看裂纹情况，拍摄出最大裂纹的局部图，进行比较分析。

1.5 清洗小球的强度实验

采用微机控制的电子万能试验机测试清洗小球的拉伸强度和伸长率，最大试验力达200 kN，最大拉伸位移达100 mm。

2 结果及分析

2.1 小球表面变化

9种小球在高压反应釜内经过240 ℃高温原油浸泡和搅拌72 h之后，取出小球用90 ℃热水清洗，然后放入烘箱，设定在50 ℃下干燥24 h之后，分别采用数码显微镜和相机进行拍照，表3是原样和测试样表面的数码显微镜照片比较，表4是原样和测试样经过拉伸强度测试之后的外观照片比较。

从表3可以看出，以植物硅胶材料的7、8、9号小球的测试样已经明显融化成膏状，完全不适合做高温原油换热器的清洗小球。氟橡胶1号和氢化丁腈橡胶4号均为实心球，表面基本没有什么变化，体现出较好的耐油、耐高温和耐磨性能。氟橡胶2号和氢化丁腈橡胶3号和5号均为翼型球，表面体现出较多裂纹。氢化丁腈橡胶6号为空心球，出现裂纹居中。翼型和空心球由于比较容易变形，在搅拌过程中变形程度比实心球大，其耐磨性能较差。

从表4可以看出，由于以植物硅胶材料的7、8、9号小球的测试样已经成膏状，不再进行拉伸强度试验。1-3号断裂面比较整齐，4-6号断裂面参差不齐，拉伸过程中其最大位移也相对较大。

2.2 小球强度变化

原样和测试样分别进行强度试验之后，其拉伸强度和伸长率数据如表5所示。可以看出，1、2号氟橡胶小球原样的拉伸强度基本相当，但测试样的拉伸强度有很大不同，1号球测试样的拉伸强度是原样的2.12倍；伸长率也有很大不同，1号球测试样的伸长率是原样的1.84倍。2号球测试样的拉伸强度为原样的0.52倍；但测试样和原样的伸长率基本相当。

在3、4、5、6号氢化丁腈橡胶小球当中，4号实心球测试样的拉伸强度为原样的2.36倍，伸长率为原样的1.43倍；3、5号翼型球测试样的拉伸强度都比原样小，其中3号球测试样的伸长率也比原样小，5号球测试样的伸长率却比原样高；无论是原样还是测试样，空心球6号都体现出最大的伸长率。

7、8、9号小球原样的拉伸强度最大的是实心球7号，而伸长率最大的是空心球9号。

综合小球经过试验前后的外观变化及强度变化数据，二者基本吻合。试验后产生较大裂纹的，拉伸强度也会减弱。经过高温原油搅拌试验，翼型小球性能减弱，实心球性能增强，空心球在伸长率方面表现最佳。

表4 原样和测试样经过拉伸强度测试之后的外观照片对比

3 结论

氟橡胶和氢化丁腈橡胶的实心球均表现出较好的强度，可用于高温原油换热器。而植物硅胶的实心球虽然具有较好的强度、空心球虽然具有较好的伸长率，但都不能用于高温原油换热器。

氟橡胶小球和氢化丁腈橡胶小球的翼型球由于在高温原油下强力搅拌摩擦之后，强度下降，体现出耐磨性能较差，因此也不适合高温原油换热器。氢化丁腈橡胶空心球在伸长率方面均有较好的性能，但本试验发现有裂纹现象，因此需要调整空心球的空心体积比例，以改进其耐磨性能。

表5 清洗小球性能变化

［1］李会迪. 管壳式原油换热器化学清洗试验研究[D].大庆石油学院,2010.

［2］ Chao Shen, Chris Cirone, Liangcheng Yang, Yiqiang Jiang, Xinlei Wang. Characteristics of fouling development in shell-and-tube heat exchanger: Effects of velocity and installation location[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2014, 77: 439-448.

［3］Syed M. Zubair, Anwar K. Sheikh, Mohammed N. Shaik. A probabilistic approach to the maintenance of heat-transfer equipment subject to fouling[J]. Energy, 1992, 17(8):769-776.

［4］Dillip Kumar Mohanty, Pravin M. Singru. Use of C-factor for monitoring of fouling in a shell and tube heat exchanger[J]. Energy, 2011, 36:2899-2904.

［5］王徐影. 管壳式原油加热器失效分析与改进[J]. 河北化工,2007(02):33+39.

［6］毕建成. 管壳式换热器的污垢与对策[J]. 中国石油和化工标准与质量,2014(11):77.

［7］江村,黄健,刘彬. 一种可方便壳程清洗的管壳式换热器[J]. 科技创新导报,2014(09):54-55.

［8］江镇海. 自动除垢免清洗高效管壳式换热器[J]. 化工装备技术,2000(03):54.

［9］杨晓良. 换热器清洗技术[J]. 清洗世界, 2010 (08):14-20.

［10］吴同锋,蔡晓君,刘湘晨,潘世超,王国华. 常用换热器清洗技术及选用[J]. 化工机械,2016(03):268-271+356.

Study on Performance of Online Cleaning Balls for Shell and Tube Crude Oil Heat Exchangers

,,,,ZHU Jin-hui

（CNOOC Energy Conservation & Environmental Protection Service Co., Ltd., Tianjin 300452, China）

Shell and tube crude oil heat exchangers are widely used in petrochemical industry. Fouling in the heat exchanger tube will increase the thermal resistance, affect the heat transfer and reduce the economy. Therefore, the heat exchanger needs to be cleaned. In this paper, on-line cleaning balls for shell and tube crude oil heat exchanger were studied. 9 Kinds of small balls with different materials and shapes were placed in a high pressure reactor at 240℃with continue stirring for 72 h. After that, the digital microscope was used to carry out the apparent analysis, and the tensile strength and elongation tests were carried out with an electronic universal testing machine. The results show that the full balls of both viton and HNBR exhibit good tensile strength and elongation, so they can be used in high temperature crude oil heat exchangers.

Crude oil heat exchanger; Online cleaning; Small ball; Tensile strength

TQ 052

A

1671-0460（2017）10-1974-03

国家国际科技合作专项项目，项目号：2013DFG42440。

2017-07-30

闫肃（1972-），男，甘肃静宁人，高级工程师，硕士，1998年毕业于抚顺石油学院工业电气自动化专业，2014年取得西南石油大学仪器仪表工程专业工程硕士，主要从事技术管理和节能环保技术的研究。E-mail：yansu@cnooc.com.cn。

朱金辉（1984-），男，江西抚州人，工程师，硕士，2012年毕业于河北工业大学动力工程专业，研究方向：从事高效换热技术工作。E-mail：zhujh6@cnooc.com.cn。