海上平台中央空调冷凝器穿孔分析与对策探讨

张勇青，魏占彪，邓 婷，王 雨

(1.海洋石油工程股份有限公司，天津 300451;2.中国石油青海油田公司，青海花土沟 736202)

海上平台作为重要的深海开采装备，其中央空调是保证平台正常生产和人员生活的重要设施，中央空调的失效与否直接影响着平台内部机采设备的正常运行以及实际作业人员的生活舒适程度。

1 问题的提出

某海上平台A生产人员巡检中央空调时，发现其冷水机组存在泄漏现象，表现为冷水机组内氟利昂压力下降迅速。现场初步判断是冷水机组内氟利昂通过冷凝器换热管泄漏流失。

该冷凝器是管壳式换热器，换热管通过胀接的方式固定在管板上，管程介质为海水，壳程介质为制冷剂氟利昂。当现场打开冷凝器端盖时，发现冷凝器壳程已经渗入海水，经过氮气打压检漏，发现冷凝器内部分铜管发生穿孔。

由于该冷凝器换热管穿孔，海水进入机组氟利昂系统，导致了冷水机组内压缩机、膨胀阀、电磁阀、干燥过滤器以及部分传感器和阀件发生不同程度损坏，机组无法运转。

2 失效原因分析

2.1 换热管材质分析

该冷凝器换热管采用B30白铜制作，B30白铜是一种可靠性很高的材料，在换热管制作过程中，如果B30白铜的成分不符合标准，最容易出现腐蚀穿孔。

为检测冷凝器换热管材质组成是否符合国家标准，第三方实验室采用扫描电镜及能谱仪对损坏样品进行了能谱分析，分析结果表明，样品所含合金元素及含量符合GB/T 5231—2001中B30白铜要求，如表1所示。

表1 样品所含合金元素质量分数能谱分析结果 %

2.2 换热管壁厚分析

该冷凝器换热管名义厚度为2 mm，为校核该换热管内压及外压是否满足设计要求，换热管厂家依据GB151—2014标准采用过程强度计算sw6软件进行了校核计算，校核结果表明，换热管壁厚满足设计要求过程设备强度计算。

2.3 高速海水冲刷分析

铁白铜抗高速海水冲击腐蚀的能力较差。如果某些换热管内海水流速超过某一临界值时，铜的保护膜遭到破坏，高速海水使铜的腐蚀速率急剧升高，换热管的破坏概率迅速增加。

1)现场调研。根据现场调研实测数据:该平台冷水机组 (双系统均100%满负荷)海水实际进、出口温差约为1℃，计算流量为660 m3/h，远超设计流量 (165 m3/h)，计算过程如下:

式中:Qm为冷却水流量，m3/h;Q为机组冷凝负荷，kW;Cp为水的比热容，J/(kg·℃);Δt为冷却水进出水温差，℃。

该海水冷凝器内换热管数量为152根，单根换热管规格为:D 15.88 ×2.0 mm; 内径r为5.94 mm。

换热管截面积:S=π×r2=3.14×5.942×152×10－6=0.017 m2。

管内海水流速:v=Qm/S=660/0.017/3 600=10.78 m/s(船舶设计手册推荐管内流速在1.5 m/s～2.5 m/s)。

2)原因分析。该平台中央空调制冷剂冷却系统采用开式海水冷却，首先海水通过海水提升泵加压后，流经海水滤器过滤海水中自带的悬浮杂质等颗粒物，过滤后的海水通过材质为玻璃钢的并联管线，最终流向中央空调冷水机组的管壳式冷凝器中，在冷凝器中低温海水与高温制冷剂气体进行热交换，热交换后的高温海水直接排海 (高温制冷剂气体冷凝变为常温液体进入后续制冷循环)，见图1。

为找出海水流量超设计的原因，经过分析整个海水系统后发现，海水滤器各下游用户均是并联布置。并联管路具有如下特点。

1)主管的质量流量等于各分支管路质量流量之和。

2)各分支管路的阻力相等。各分支管路的阻力由管道摩擦系数、管道长度和直径、流体流速决定。该平台中央空调冷水机组布置与其他常规项目有区别，冷水机组与海水提升泵均位于18.5 m甲板，海水经过冷水机组换热后直接汇入排海管线。

按照海水系统的工艺方案，并联管路中各设备进口海水压力均为650 kPaG，出口直接排海，所以海水余压需要全部消耗在设备、管线上部阀门和管线弯头等附件上。

图1 中央空调海水冷却流程图

18.5 m甲板是整个平台的最下层甲板，且冷水机组与海水提升泵均布置于该层，相对海水系统其他设备用户，中央空调的海水入口管线和出口管线长度均相对较短，管路弯头等附件较少。因厂家反馈中央空调内部冷凝器流动阻力约为80 kPa，故绝大部分海水余压需要消耗在中央空调入口青铜截止阀上，否则该空调海水分支将在运行过程中自行分配得到更多的流量，以便增大该分支流动阻力保证各并联管路的阻力相等。

经过与该平台生产人员确认，中央空调进出口青铜截止阀从未进行过调节，日常运行过程中均是全开状态，阀门位置详见图2。

图2 中央空调冷水机组总橇图

根据上述分析，中央空调冷水机组海水流量存在超设计的可能性。

3)失效原因验证。为验证上述原因，经过查找发现海上平台B与海上平台A中央空调各项配置均完全一致。

但A平台中央空调冷凝器频繁出现泄漏，但B平台中央空调自交付使用至今，从未出现过泄漏。两座平台的中央空调配置对比如表2。

表2 不同平台空调配置对比图

经过与B平台生产人员确认，B平台生产人员维护过程中经常手动调节中央空调入口青铜截止阀，以便降低截止阀后中央空调入口海水压力。

根据上述理论分析以及类似平台对比，判断中央空调海水冷凝器腐蚀穿孔主要是冷却海水流量超过设计值，导致换热管内海水流速超过最大允许流速。高速海水冲刷导致铜管表面的氧化层遭到破坏，由于海水中含氧量不足或流速过高、管内污垢积累等因素导致管壁氧化钝化层无法自行恢复，使换热管内局部发生点蚀直到穿孔。

3 解决措施探讨

3.1 换热管维修措施

为保证海水冷凝器的正常使用，现场首先使用内窥镜初步标记穿孔的换热管，然后对穿孔换热管进行氮气保压测试 (1.5 MPa)，最终确定共有82根换热管存在穿孔问题。

针对穿孔的换热管，现场将其更换为相同规格材质的换热管胀接在原管板上，同时更换后的管壳程换热器管程采用盐水 (与海水盐度相同)浸泡48 h，然后对管程和壳程进行保压测试 (管程试验压力1.38 MPa;壳程试验压力2.76 MPa)，检测合格后的换热器回装至中央空调内部。

3.2 海水流量控制措施

为从源头解决海水冷凝器换热管穿孔问题，需对中央空调海水入口分支进行改造。针对中央空调已经投入生产，为减少现场改造工作量，方案确定为在中央空调海水进口管线增加节流孔板和隔离球阀以便起到控制海水流量的作用，节流孔板材质为蒙乃尔，节流孔板安装位置需保证与中央空调机组之间的直管长度不小于管线直径的5倍。

4 结束语

本文针对某海上平台存在的中央空调冷凝器穿孔问题，探讨了冷凝器换热管穿孔的原因，并通过对相关解决措施的探讨，为今后类似海上平台的暖通空调系统设计提供了一定的借鉴指导作用。