低压饱和蒸汽冷凝液管道泄漏原因探析

(开封龙宇化工有限公司，河南 开封 475200)

开封龙宇化工有限公司的聚甲醛装置，设置了3台由太原锅炉集团有限公司生产的低压循环流化床饱和蒸汽锅炉，正常运行时两开一备，单台锅炉额定蒸发量45t/h，主蒸汽温度为194 ℃、压力为1.27 MPa(g)。锅炉饱和蒸汽通过DN500蒸汽母管送往各生产装置，饱和蒸汽主要用于精馏塔再沸器、空气加热器、粉体螺旋干燥器、管道蒸汽伴热、生产热水系统配制、生活采暖系统换热等。1.2 MPa(g)、0.4 MPa(g)饱和蒸汽换热后，通过疏水器产生的冷凝液进入闪蒸槽产生0.15 MPa(g)低阶饱和蒸汽，闪蒸槽下部的冷凝液进入蒸汽冷凝液储槽后通过泵送往焚烧站余热锅炉、锅炉除氧器、换热器等进行回收再利用。

经常泄漏的饱和蒸汽冷凝液管道压力为1.2 MPa(g)，采用材质为20#钢、管径DN40、长度50m，位置位于单体、聚合两个界区之间的上层管廊上，该段管道含弯头15个，漏点主要分布在进入闪蒸槽前的管道弯头及其焊缝连接处，直管段很少出现此情况。虽然经过多次焊接及带压堵漏处理，但一段时间以后仍然会出现泄漏的情况。由于该泄漏点位于装置进出口处，冷凝液温度较高，一旦泄漏可能造成现场人员被高温烫伤，存在较大安全隐患，必须对引起管道泄漏的原因进行深入分析，拿出具体可行的措施，彻底解决该问题以消除安全生产隐患，减少蒸汽冷凝液损失。

1 泄漏原因分析

通过对该段冷凝液管道进行分析发现，管道弯头数量较多(达15个)，泄漏部位多位于管道的弯头等形状突变处或管道管件焊缝上，均为小的穿孔。在几何形状变化较大的部位存在较大的残余应力，使得其更易受机械(如水的湍流及因压力、温度变化引起的空泡)或化学物质(如O2、CO2等)的作用而破坏，从而导致该部位更容易被腐蚀。另外，蒸汽管线疏水器效果不好导致冷凝液管线中存在气液并存的两相流状态，水、汽随着管内压力、温度的波动而相互转化，对管道的冲刷也更加剧烈。蒸汽冷凝水在流动过程中，因压降而产生二次蒸汽，形成汽液混相流，当流速增加或改变流向时会引起水击，导致管道发生振动甚至破裂。

1.1 气蚀

在流动过程中，随着阻力增加，饱和状态冷凝液压力下降，出现较多的闪蒸汽，产生水锤现象，特别是管道弯头部位，由于流体受到扰动，金属管道内表面受到液滴的冲击，形成蚀坑，严重时造成管道破坏。

1.2 冲蚀

管道弯头处流体流速会发生变化，产生湍流现象，引起管道振动较大，再加上长时间地冲刷腐蚀，导致作为薄弱环节的弯头处首先变薄，出现穿孔情况，产生蒸汽泄漏。

1.3 缺陷

泄漏点大多发生在弯头部位，弯头泄漏点本身有焊接缺陷，存在局部应力不均的情况，因腐蚀迭加、应力集中所致。

1.4 故障

由于疏水器故障，会出现蒸汽带入冷凝液的情况，周兴东[1]等人的研究表明，蒸汽分子的冷凝必须克服扩散传质阻力，进入冷凝液管道的蒸汽冷凝下来需要克服一定阻力及此过程中产生的扰动，会以水击的形式显现出来，管道弯头、U形弯曲等管道流向改变处受到的冲击力最大、最明显。

2 对策

2.1 对现有管道布置进行重新设计

在管线设计中，除必要的应力弯曲外，还应注意尽量减少U形弯和弯头数量，改造后的管道整体平移。弯头数量由15个减少到8个，极大降低了管道内流体流动扰动状态的变化，稳定了流速，减少冷凝液对管道的冲击。同时，在安装管道时要顺着流通的方向留有一定坡度，减少输送距离，管道内水的积存能及时疏导出去。

2.2 更换损坏的疏水阀

张晓晨[2]的研究表明，对于有一定流速的蒸汽冷凝过程，蒸汽在液滴-蒸汽界面处产生的界面切应力是驱动液滴内部流动的主要作用力，液滴受到蒸汽流动的剪切作用，内部存在明显的漩涡流动，并随着蒸汽流速的增加，漩涡流动的强度呈现正比例增加的趋势。

因此，更换和修复漏汽的疏水阀，保证蒸汽疏水阀好用，避免汽水同走；消除疏水阀由于背压过高或有异物导致的疏水不畅；做好管道的保温，防止汽水同走蒸汽冷凝液管线导致的水击现象；同时，在安装管道时要顺着流体流动的方向留有一定的坡度，尽量避免管道内水的积存，及时疏导冷凝下来的液体。

2.3 增大冷凝液管道管径

蒸汽冷凝液管道、弯头公称直径由DN40增大至DN50，冷凝液流速可降低60%，冷凝液压力降减少，因流道走向发生变化而造成的冲击力减弱。

2.4 增加冷凝液管道壁厚

提高管道、管件壁厚，由4.00 mm提高至5.0 mm，材料材质使用优质碳素结构钢20#钢替代Q235，提高了管道材质的力学性能。在腐蚀裕量不变的情况下，能够提高管道的使用年限。

2.5 优化操作方式

开停车操作过程中，送汽和暖管时要缓慢，动作不要过大；蒸汽及冷凝液管线投用前先从导淋进行排气、排水；保证冷凝液管线的压力在饱和温度以上，防止水击现象的发生；稳定冷凝液闪蒸槽压力，预防冷凝水总管压力过高或水流不畅；调整冷凝液管线进闪蒸槽阀门开度，尽量让冷凝液管线充满液体；最高点设有1个排气装置，开车时排除积存在管道内的空气或其他气体，以防止气阻造成运行失常。

另外，在2个装置界区处增加截止阀，便于在不同区域泄漏时进行隔离检修，避免了停车检修的风险，提高了生产装置连续运行能力。

2.6 提高焊接质量

钢材在高温下受外力作用时，随着时间的延长，缓慢而连续地产生变形；如果长期冷热交替工作，在温差变化引起的热应力作用下，材料内部会产生微小裂纹并不断扩展，最后导致破裂。其中，焊缝又是管道中的薄弱环节，更容易因焊接缺陷，外加受到温度、应力的作用遭到破坏。

因此，蒸汽冷凝液管道焊接时，应提高焊接人员操作水平，优化焊接工艺，做好焊接坡口处理，从而提升焊缝质量，消除焊缝因自身缺陷造成的穿孔泄漏。另外，管道防腐保温前进行除锈，管道支吊架按照国家、行业有关管道施工验收规范进行安装。

3 改造效果

低压饱和蒸汽冷凝液管道更换后，经过近2年的运行，未出现过管道、管件、焊缝等泄漏的情况，也未出现过水击的情况，使用效果良好，达到了改造的预期目的。改造前，蒸汽冷凝液管线泄漏点较多，现场操作环境较差，进出装置区存在一定安全隐患，开封龙宇公司每年用于带压堵漏的费用在2.1万元左右，占用大量人力、物力、财力；改造后投入成本仅在3 000元左右，降低了维修费用，同时减少了因管道泄漏造成的蒸汽损失，改善了现场操作环境，消除了安全隐患，保证了生产人员的安全。

4 结语

饱和蒸汽冷凝液管线改造要从设计时考虑好管道布置，在满足生产工艺要求、热应力膨胀要求的前提下，按照经济适用的原则进行材料选择。管道布置走向在追求美观、一致的同时，也要尽量减少弯头和U形弯曲，缩短管线流程，降低管道阻力，必要时弯头和U形弯曲处可适当增加材质厚度。最后，要做好管道保温防腐和固定，优化蒸汽冷凝液系统参数调整，保证疏水系统正常运行；通过优化开停车操作顺序、强化操作、维护管理，消除了蒸汽冷凝液管线泄漏现象，实现了冷凝液管线长期、稳定运行。

[1]周兴东，马学虎，等.冷凝液运动行为强化含有不凝气的蒸汽冷凝过程研究[J].高校化学工程学报，2007，21(5):740-746.

[2]马晓晨.蒸汽流动作用下冷凝液滴内部流动及传热特性[D].北京：清华大学，2013.