合成水冷器泄漏原因分析及改进措施

李正方,王会琼

(1.云南大为制氨有限公司，云南 沾益 655338；2.云南大为化工装备制造有限公司 云南 沾益 655338 )

某化工厂有2台合成水冷器。合成气从甲醇合成塔出口经第一、第二换热器回收热量后，进入并联操作的合成水热器。用循环水作为冷却介质，将合成气温度降至40℃后进入高压分离器进行气液分离。

设备运行中经常会发生泄漏，管程的合成气渗漏到壳程的循环水中，造成工艺参数波动，对生产系统的稳定性造成很大的影响，若不及时处理，将会造成严重的设备事故。经过多次故障处理及分析，管头泄漏是导致设备泄露关键的因素之一。

1 设备概述

该设备是固定管板式换热器，因为管程压力较高，故采用管板直接与管箱筒体连接结构，优点是较紧凑，排管数量较多，在相同直径下换热面积较大，锻件使用少，制造成本低，且漏点少；缺点是管板与管头之间易产生温差应力而损坏，壳程无法机械清洗，因此壳程易结垢场合不宜采用。

本设备采用在碳钢材料表面复合不锈钢或者堆焊不锈钢的结构，比用全不锈钢材料可以大大节约制造成本。因此设备管程的管板、管口上锻管法兰均采用堆焊奥氏体不锈钢(S30408)结构，换热管采用奥氏体不锈钢(S30408)无缝钢管，管程筒体、封头采用复合板(S30408+Q345R)结构。

设备简图见图1，工艺参数见表1。

表1(续)

2 泄漏情况

2010年11月，在2台水冷器投入使用半年多后，其中一台合成水冷器开始发生泄漏。经对壳程的循环水进行甲醇含量分析，确认该水冷器发生内漏。采用从壳程打水压试验来检测管头漏点位置，打压至 0.45 MPa 后发现管头有多处明显漏点；另外，为了更准确判定漏点缺陷情况，对管头着色检查，发现管板上漏点处均存在细裂纹，多数分布在管板下边缘，靠管板上部即循环水进口侧管板上多达5处漏点。

3 泄漏原因分析

3.1 管板质量问题

因管板是堆焊结构(16MnⅢ+堆焊S30408)，在管板过渡层堆焊并经表面着色检测合格后，须进行炉内整体消除堆焊应力热处理，目的是消除堆焊产生的内应力，保证堆焊层质量。热处理后再进行耐蚀层(面层)的堆焊。热处理时若堆焊应力没有被完全消除，则该应力将一直存在管板内部。管程的合成气中含有大量的甲醇、氢气等腐蚀性介质，对管板表面的堆焊层(不锈钢)有一定的腐蚀性，加之在焊接应力作用下，管板易形成应力腐蚀，从而导致管板堆焊层表逐渐出现纵向细小裂纹。设备在长期运行下，裂纹不断扩大并延伸至薄弱区，管头焊缝被拉裂，管头泄漏必然发生。

3.2 工艺产物问题

管程介质(合成气)经一系列物理和化学反应后，会产生大量副产物——石蜡，堆积凝固在管板表面，若不及时清除，将导致换热管管头被堵塞，管壳介质不能很好流通，换热效果变差，因此，必须停车进行清理。通常是采用从管、壳程侧同时通入高温蒸汽(约 180 ℃)进行加热，使管板表面的石蜡在高温作用下融化，并从筒体下部排净口排出。因合成水冷器是卧式结构，换热管上下重叠，高温加热石蜡时，管板上部表面的石蜡受热后向下流动顺。因壳程底部出口管直径较小，积水排出缓慢，再加之上部列处管流下的石蜡没有及时被排除，大量堆积在管箱底部，尤其是下部1～6排换热管管头，被大量的石蜡堵塞，使上部和下部换热管热管膨胀不一致，管头承受很大的拉应力。在拉应力作用下，热影响区焊缝发生塑性变形，直至拉裂。经对管板表面做着色检测发现，下部1～6排管头的焊缝热影响区内有大量细裂纹，从而证实了副产物——石蜡清理工艺不当，导致管头泄漏。

3.3 水质问题

设备用工艺循环水中，水质含有杂质以及其他污染物，对管壁产生腐蚀，当温度高于一定值时，在管壁上就会形成积垢。当管道内介质的温度越高，管道外壁结垢的趋势就越严重。长期结垢导致管道间流量减小，管道间的截面积变小，造成管道两端介质压力损失增大，水的流速减小，进一步加剧管道结垢。这不仅造成换热效果的降低，而且还会诱发管道局部腐蚀导致管壁穿孔，形成换热器的泄漏。

4 处理方法

4.1 隔离方法

水冷器出现泄漏，应及时对设备进行切换并隔离处理，如果系统条件不允许，则应该降低设备负荷，对泄漏情况进行严密监视。泄漏加重时，应果断进行隔离停车，尽量减少管子损坏数量，减小对系统损坏的程度。

4.2 采取有效的堵漏方法

设备出现泄漏时，首先应检查并分析产生泄漏的原因，制定合理的处理方案。若是管头焊缝泄漏，最有效的处理方法是将除原焊缝金属去除干净，检查合格后再进行重新焊接。假设是管子本体泄漏，则是先查清管子泄漏的形式及位置，采用合适的堵管工艺，堵塞管子的两头端口。为保证堵管质量，管头部位一定要处理好，管孔应清理干净，用经加工好的堵头塞入管头(堵头强度应足够)，用氩弧焊将堵头焊接牢固。然后对壳程做耐压试验检测堵头的强度及焊接质量。

5 预防措施

设备换热管与管板的焊接质量，直接影响设备的运行周期。因此，制作过程中应严格把控好管头的焊接质量。按底层焊接完成后经检验合格，再进行面层焊接的顺序制作，既要保证角接接头高度和熔深，又要避免产生析出型气孔。

5.1 换热管材料质量控制

严格控制好换热管采购及检验质量关，换热管材料应符合相关标准要求，选用高级精度的冷拔(轧)钢管。换热管不允许拼接，其外径允许偏差控制在±0.10 mm,壁厚允许偏差按最小壁厚供货控制在(0～0.4)mm。选择工艺装备先进、质量可靠的供货商，换热管出厂前要求逐根进行耐压试验，试验压力按标准要求。设备制造厂应对换热管的外径和壁厚偏差进行抽查，保证其满足要求，以源头上控制好换热管质量。

5.2 管板质量控制

水冷器制造过程中严格检查，确保管板的厚度满足设计要求，管板堆焊前对基材表面进行机加工，并做100%磁粉检测，基材表面不能有气孔、裂纹等缺陷，符合NB/T47013-2015规定的Ⅰ级合格。合格后采用经焊接工艺评定合格的工艺文件堆焊过渡层(厚度不小于 3 mm)，过渡层堆焊后对过渡层进行炉内整体消除应力热处理。然后再进行耐蚀层的堆焊,堆焊总厚度不得小于 6 mm；过渡层和耐蚀层应分别进行100%渗透检测，堆焊层表面不能有气孔、裂纹等缺陷，符合NB/T47013-2015规定的Ⅰ级合格。管孔加工采用2次钻扩孔，以保证管孔加工尺寸精度和表面粗糙要求。提高管孔尺寸精度，均按Ⅰ级管束管孔尺寸允许偏差要求加工；管孔表面不得有影响焊接或胀接连接质量的毛刺、铁屑、锈斑及纵向或螺旋状刻痕等缺陷，从而保证管板及管孔的加工质量。

5.3 管头焊接质量控制

管板的焊接坡口与换热管管端的清洁度对管头的焊接质量影响很大，管板钻孔时在管孔周围的油污和铁屑必须用除油剂清洗，并用洁净水冲洗干净后用压缩空气吹干。换热管管端采用布砂轮处理，去除管端及外表面的灰尘及影响焊接质量的有害杂质。换热管穿管时，由于管子直径小，且较长，为了保证穿管质量，采用卧位后退式分段穿管工艺，即换热管由管板端逐段穿入，折流板由壳体侧逐层穿入。为保证穿管对中，在管板外侧设置穿管工装，考虑到低压壳体刚性较差，应使用环缝组装卡，调整圆度，并视现场情况增加筒体支撑点，以便于穿管。换热管与管板的焊接采用手工钨极氩弧焊两遍填丝焊，焊材选用氩弧焊丝H08Cr21Ni10/φ2.0 mm。从焊接工艺方面讲，采用小的焊接线能量进行焊接，防止焊缝和热影响区的晶粒长大及碳化物的析出，保证了焊接接头的塑、韧性和耐蚀性。另外，为提高焊缝的抗热裂性能和耐蚀性能，焊接时，需要特别注意焊接区的清洁，避免有害元素渗入焊缝。

为了保证管头质量，每个管头焊接均应分焊两道进行，第一道为打底焊接，焊完后应进行气密性渗漏试验，试验压力为 0.5 MPa, 保压 30 min，检查打底层焊接质量，无泄漏为合格。然后，进行第二道(面层)焊接，要求第二道起弧点与前一道起弧点相错120°，并应保证焊角高度，以满足换热管的拉脱力要求。管头焊接完成后，换热管与管板的焊接接头还须进行100%渗透检测，符合NB/T47013-2015 规定Ⅰ级合格，并对设备壳程进行耐压试验，以检验管头的焊接质量满足要求。

5.4 换热管防振动及防腐蚀措施

5.4.1 换热管防振动措施

方法一：根据工艺计算合理选取折流板间的换热管无支撑跨距，以防止换热管产生较大的挠度。同时应考虑适当增加折流板的厚度，对防止管束振动也是有利的。

方法二：按工艺系统要求，严格控制壳程循环水的流速，确保工艺参数稳定，防止工艺参数周期性变化导致管子发生振动互相摩擦，导致管壁变薄。并应在壳程循环水进口处设置防冲挡板，可减小循环水对换热管的冲击作用。

5.4.2 防腐措施

壳程循环水中含有杂质以及其他污染物易沉积在管壁表面，若流速过低可能导致底部换热管间的空隙被堵塞，从而增加垢下腐蚀，影响换热管传热效果；流速过高又会使压力损失增加。因此，工艺上应控制水质及合适的流速，以确保设备安全运行。

6 结语

通过以上分析得出，解决合成水冷器泄漏问题，首先应从设备结构设计、材料及制造等方面把好质量关。另外，还要控制好工艺参数，确保温度压力等在设备允许范围内，加强介质腐蚀控制，并做好定期检修工作。并注意以下几项事项：

1) 加强设备管理，提高水冷器的制造和检修质量。对水冷器采取适当的防腐措施等，以增加水冷器本身的抗腐蚀性能，减少泄漏的频繁发生。

2) 清理石蜡时，加蒸汽位置由上水导淋管应改为回水导淋，使设备壳程无积存的冷凝液，列管及管板受热均匀，从而改善了水冷器的受热使用条件。

3) 定期分析水质，发现异常应及时处理，以减少对水质造成的污染。

4) 设备开停车时，应控制好升温或降温的速度，运行中要严格执行工艺参数，控制其在设计允许的范围内。