循环尾气压缩机循环冷却器管束开裂原因分析

马智超(中海油惠州石化有限公司，广东 惠州 516086)

0 引言

本公司根据我国管壳式换热器执行标准开展换热器设计工作，换热面积196m2，换热器结构类型为BEW。其中壳程介质为冷却水，工作温度为33/43℃，设计温度为120℃，工作压力为0.5MPa，设计压力为1.0MPa；管程介质为循环尾气，工作温度为198/46℃，设计温度为245℃，工作压力为0.11MPa，设计压力为0.5/-0.1MPa。

1 管壳式换热器简介

1.1 分类

由于管壳式换热器其管内和管外存在温度差，为了防止由于这种温度差产生的热应力问题，需要通过一定措施进行补偿，一般根据不同的补偿措施，管壳式换热器被分为以下四种。第一，固定管板式换热器，这种换热器的管束两端的管板固定在壳体上，这种结构的换热器，比较适合壳程无需清洗的换热，且管内外流体的温差较小的情况。如果出现内外温差变大，但是壳程的压力较低的情况，可以通过安装弹性补偿圈来减小应力。第二，浮头式换热器，这种换热器管束一侧的管板可以浮动，并且可以将管束从管壳中拿出以便维护清洗，能够完全消除换热器产生的热应力，但是由于其结构复杂，因此这种换热器的成本较高。第三，U型管式换热器，这种换热器的换热管均为U形，该换热器与浮头式换热器一样，能够完全消除管中的热应力，优势是结构相对简单，缺点是清洁难度较大。第四，涡流热膜换热器，这种换热器使用的是先进的传热技术，能够改变管束中介质的运动状态，以此提高管束的换热率，该换热器的热效率高达96%。

1.2 选用设计要点

在选用换热器的时候需要注意以下要点：首先，在确定换热面积的时候需要结合冷热流体的流量，出入温度，以及冷却水和循环尾气的比热容，科学合理的制定换热面积；其次，要控制好换热器的压力，一般压力范围在0.01～0.05MPa为好，在压力环境等安装情况允许的情况下，建议使用直径小管体较长的装置，以此提高换热管的换热率；再次，管中介质的流速设置应该参考流体的粘度，对于粘度较大的流体，其速度应该小于0.5～1.0m/s，普通的流体速度应该在0.4～1.0m/s之间，对于容易在管内凝结的流体，其速度应设置在0.8～1.2m/s之间；最后，换热器的台数以及处理能力需要能够满足换热站的实际需求[1]。

2 案例概况介绍

2.1 情况介绍

本公司的循环尾气压缩机循环冷却器管束采用的是进口的304材质，后由于管束出现开裂情况，引起泄露，将其升级为316L材质的管束，但是开裂情况并没有改善，最后升级为双相不锈钢S25073换热管，并将管壁厚度由1mm升级成为2mm，发现管束开裂的问题得以解决。其详细信息如表1所示。

表1 管束升级情况

2.2 技术要求

在本公司管束更换过程中，应满足以下要求：第一，管束的制造以及验收需要根据GB/T 151—2014《热交换器》进行。第二，S25073换热管的外径偏差应在±0.1mm以内，壁厚的偏差应在±0.2mm以内。第三，所有的定距管长度偏差应在-1mm。第四，在管束制造完毕之后，需要进行水压检测试验，试验的压力应为1.43MPa，另外，值得注意的是试验过程中所使用的水，其中氯离子的含量应在25mg/L以下，并在试验结束之后将管束清理干净。

2.3 材料性能对比分析

304不锈钢材料是在工业、家具、食品医疗等行业中被广泛应用一种材质，其密度为7.93g/cm3，能够耐受800℃的高温，抗拉强度为σb(MPa)≥515-1035，硬度：≤201HBW；≤92HRB；≤210HV。316L不锈钢目前大多数是按照美国标准生产的，为了降低生产成本，一般钢厂会尽量压低其中的Ni含量。与304不锈钢相比，316L不锈钢具有相对较好的抗点蚀性能，其密度为7.98g/cm3，抗拉强度σb(MPa)：≥480，硬度：≤187HB；≤90HRB；≤200HV，在100℃时其热导率为15.1W/(m*K)，300℃时热导率为18.4W/(m*K)，500℃时热导率为20.94W/(m*K)。S25073 是一种双相不锈钢，这种钢材具有极高的耐腐蚀性能，综合了楼铁素体钢以及奥氏体钢的优势，具有较好的耐腐蚀性，与316L相比能够更好的抵抗氯离子以及盐酸环境下的腐蚀，并且还有优秀的机械性能，具有良好的耐压、抗冲击强度，同时在导热性方面也有着极大的优势。抗拉强度：σb≥730MPa；硬度(HV)：290。

通过以上对比分析不难发现，S25073与上述两种钢材相比具备更好的硬度、抗拉强度以及耐腐蚀能力。

3 循环冷却器管束开裂原因分析

3.1 换热效率降低

经过对冷却器以及管束的详细的查验发现，在换热器运行的过程中，管束的出口和入口之间产生了较大的温差，在入口处200℃的壳层管板的位置很容易将冷却水气化，进而生成气体，产生的气体在壳层中造成气堵现象，对冷却器内部的水流运行以及湍流程度造成阻碍，进而影响换热器运行过程中循环水的换热，导致换热效率降低[2]。

3.2 有害离子腐蚀

在发生管束开裂问题之后，本公司第一时间对循环水中的各种离子的含量进行采样检测。在检测后发现，循环水中的氯离子的含量比较高，而不锈钢材料对于氯离子较为敏感，超量的氯离子会对钢材产生腐蚀，进而加速冷却管管束的开裂。而且在管壳式换热器中，管板胀接触管束和管板之间存在死角，很容易形成死区，使得大量的氯离子积存在此处，过高含量的氯离子极易腐蚀304以及316L钢材。其中检测到的壳层循环水中的氯离子含量如表2所示。

表2 壳层循坏水氯离子含量

而304钢材的抗腐蚀能力有限，虽然316L钢材具有一定的抗点蚀性能，在很多卤素离子环境下都能够发挥其作用，但是却不能够应用在盐酸环境中，在氯离子达到一定浓度之后，这种钢材就难以很好的抵御有害离子的腐蚀。S25073钢材在抗腐蚀方面具备优良的性能，能够很好的应对氯离子过多的情况。

3.3 热应力问题

最后一个导致循环冷却器管束开裂的原因就是，换热器在运行的过程中，管束的入口温度过高，而且管程内外存在一定的温差，各个换热器中的换热管之间也有一定的温差，以及各种器件之间的温差，产生了较大的温差应力，当由此产生的热应力达到钢材的承受能力时，就会引起钢材的变形，最终引发冷却器管束开裂。而原始管束使用的是304和316L钢材，且管束的壁厚较薄，仅有1mm，加之304和316L两种不锈钢材的机械性能远不如S25073，在热应力较大的情况下，就会导致管束开裂。而S25073双相不锈钢具有较好的抗拉能力以及硬度，能够很好的抵消掉由于温度引起的热应力变化[3]。

4 循环冷却器管束开裂故障预防措施

4.1 提高换热效率

一般情况下除了由于换热器管程内外流体的流动速度导致换热效率降低之外，还需要注意由结垢引起的换热率低的问题。在实际的生产过程中，在管束中产生的污垢也会对换热器的工作效率产生影响，因为附着在管束上的污垢会影响整体的导热系数，不利于换热器工作，而其中污垢的形成主要是由一些不溶于水的盐类以及油污、泥沙等杂质形成。

经上述分析，在提高冷却器换热效率方面，可以从以下两个方面入手：一方面，合理增加介质的流速，在压降允许以及防止管材侵蚀的情况下，适当加快流速，在设计的过程中还需要结合考虑由于流速增加引起阻力增加的问题，因此需要权衡二者之间的利弊，选择最佳流速。根据换热介质的特点以及实际情况，选择合适的、实用性强的异形管，通过添加肋片或者低翅片等，能够有效减少管内结垢。另一方面，要重视换热器的维护，定期对其进行清洗，清除管束当中的杂物、污垢等，减少对于传热的影响，一般换热器有机械、化学等清洗方法，根据实际情况选择合适的清洗方式。加强对于循环用水的处理，在循环水进入设备之前将其软化，减少污垢的形成。

4.2 做好防腐措施

腐蚀故障是换热器运行过程中的常见问题，如果缺少相应的防护管理，那么在管束内一定会发生腐蚀情况，一旦发生腐蚀，将会影响企业的正常生产作业，因此需要加强对于管束的防腐措施，避免类似情况发生，使得企业遭受经济损失。比较简单的防护措施就是配置相应的防腐溶液，将其涂刷在热换器芯部的表面，以此形成保护膜，对管束起到一定的防护作用。事实上，这种方式能够起到很好的防腐作用，有效延长了管束的使用寿命，目前，由于这种方法经济方便，在化工企业中已经得到了广泛的运用。在使用这种方法的同时，需要注意定期对设备进行检修和维护，加强对保护膜的检查，如果发现保护膜出现破损情况，一定要及时进行修补。另外，建议使用抗腐蚀性能较强的钢材，在案例中就是由于使用了S25073双相钢材，很好的承受住了循环水中氯离子的腐蚀。

4.3 降低温差应力

在实际工作的过程中，如果只需要考虑温差应力产生时管束的承受能力是否足以应对这种情况，那么通过增加管材的厚度是非常直接的提高管材抗应力的方法，例如，在本公司应对冷却器管束开裂故障时，就采用了此方法，将管束壁厚由原先的16×1mm升级为16×2mm，以此抵抗由温差产生的应力问题。除了需要考虑这种管束的温差应力同时，还对管板的机械强度有一定要求时，可以选用有一定弹性的管板，这种管板为圆弧状，不仅能够有效应对热应力产生的压力，其具有弹性而发生变形的位置还能够在一定程度上起到吸收热膨胀值的作用。

另外，还可以通过降低管壳轴向刚度的方式，缓解温差应力。当管壳产生较大膨胀差值的时候，这种情况下的热应力就会比较大，可以通过在上面安置膨胀节的方式降低应力，确保管板以及管束之间能够衔接良好，避免拉脱，而且这种方法经济便捷。值得注意的是，在安装膨胀节的过程中，为了使其能够充分发挥作用，要尽量靠近管板，远离折流板，而且膨胀节上的波形建议设置在6个以下[4]。

5 结语

综上所述，循环冷却器管束在更换了S25073换热管之后没有再发生开裂故障，经过对比研究发现管束开裂的原因，因此在之后的运行过程中，应加强对于换热效率、防腐以及热应力的设计，采取相应的维护措施。相信通过对循环尾气压缩机循环冷却器管束开裂的原因进行详细分析之后，管束开裂问题将会得到良好解决。通过以上分析希望能够为相关从业人员提供参考，帮助各企业降低管束故障发生的概率。