高温氮气U形管换热器运行故障分析及改进措施

朱锋杰

(中国石化仪征化纤有限责任公司，江苏仪征 211900)

1 U形管换热器故障概述

1.1 U形管换热器故障经过

2012年11月14日，当班人员发现某装置风机进出口压力波动，露点异常。经排查发现前置换热器管程有渗水现象，进一步检查发现9根换热管存在泄漏问题，随即采取了封堵措施。通过查阅检修记录，发现2010年大修时有14根换热管存在泄漏问题，当时采取了封堵措施。(该换热器换热管共有265根)这样封堵的换热管达到了23根(接近10%)，加之中间隔板变形，系统存在短路现象，从而导致该换热器换热效果变差，风机入口氮气温度已接近设备联锁的上限值，如不能及时解决，有可能出现因风机进气温度偏高造成系统联锁停车的风险，因此，该设备列管泄漏被列入装置的重大隐患。

1.2 U形管换热器的概述

该生产线应用的U形管换热器是管壳式换热器的一种，属石油化工设备，由管箱、壳体及管束等主要部件组成，主要部件均由不锈钢制造。U形管换热器仅有一个管板，管子两端均固定于同一管板上。其特点如下：

(1) 管束可以自由伸缩，不会因管壳之间的温差而产生热应力，热补偿性能好；

(2) 管程为双管程，流程较长，流速较高，传热性能较好；

(3) 承压能力强；

(4) 可用于壳程结垢比较严重的场合；

(5) 管束可从壳体内抽出，便于检修和清洗，且结构简单，造价便宜。[1]

U形管换热器同时也存在管内清洗不便，管束中间部分的管子难以更换，又因最内层管子弯曲半径不能太小，在管板中心部分布管不紧凑，所以管子数不能太多，且管束中心部分存在间隙，使壳程流体易于短路而影响壳程换热。且U形管的弯管部分曲率不同，管子长度不一，因而流体分布不如固定管板式换热器均匀；管子因渗漏而只能堵死，这将造成换热面积的损失。

针对本设备列管泄漏的宏观分析，该设备管子的U形处冲蚀现象明显，应是主要的缺陷源。

该换热器的技术特性表如表1所示。

表1 U形管换热器技术特性表

2 高温氮气U形管换热器故障分析

2.1 高温氮气U形管式换热器前后工艺流程简介

现场U形管换热器管层介质为循环冷却水，壳层介质为高温氮气。系统内280 ℃的氮气从U形管换热器的上进口进入壳程，经过与U形换热管换热后，从壳程的下出口溢出，出口约40 ℃的氮气进入罗茨风机。循环冷却水从U形管换热器管程的下进口进入，进水温度约33 ℃，经过U形管式换热器换热管与高温氮气进行换热，出口循环冷却水温度约38 ℃，如图1所示。一旦U形管换热器换热管发生渗漏及堵塞，将导致罗茨风机氮气入口温度接近设备联锁的上限值(55 ℃)，就有可能出现因风机进气温度偏高造成系统联锁停车。

图1 PID流程图

2.2 高温氮气U形管换热器运行故障分析

通过对U形管式换热器几起泄漏故障的排查和比较，缺陷的主要表现形式有以下共同点：a)换热管堵塞；b)弯管处换热管破裂；c)氮气入口处换热管破裂。产生的主要原因为：

(1) 循环冷却水中存在杂质异物：a)因换热器前未加过滤器，导致循环冷却水中的杂质(黑色填料等)进入换热管，在换热管的弯管处堆积，使得换热管堵塞，从而使换热效果越来越差；b)因填料在弯管处的不断堆积堵塞，使得该局部循环冷却水因流通不畅加热汽化，该局部区域氯离子含量增大产生点蚀，而产生的气体会进一步受热膨胀，局部会产生较大压力，使管壁承受较大应力，进而发生应力腐蚀开裂。

(2) 换热器设计不合理：由于氮气进出口处温差较大(从280 ℃降到40 ℃)，氮气入口处换热管在高温氮气的不断冲刷下产生交变应力，从而发生疲劳开裂。

3 高温氮气U形管换热器改进措施

针对U型管换热器换热管所形成的缺陷，结合U形管换热器的结构特点，我们在加强运行管理的同时，与原设计制造单位进行沟通和协调，在更新U形管换热器管束时，对U形管式换热器结构设计进行了改造。

在话剧《松绑》试演之后，福建省文化厅组织召开第三十二期“火花茶会”。出席会议的有厅领导石建平厅长以及黄苇洲副厅长、林守钦副厅长和赵建宏副巡视员，同时邀请到北京的三位重量级专家，中科院文艺研究所研究员刘平、中国剧协《剧本》原主编温大勇、中国剧协《剧本》原主编黎继德，以及省内专家和包括上海人艺导演杨昕巍在内的主创人员。会议由福建省戏剧家协会主席、福建省文化厅艺术处处长吴新斌主持。现将与会者发言予以刊载，以飨读者。

3.1 生产运行优化

在循环水总管进口增加篮式过滤器，定期清洗滤篮，过滤掉循环水中的杂质，进而减少或杜绝换热管堵塞，避免因换热管堵塞，使循环冷却水局部汽化产生较高压力的水蒸汽。

在开车运行时，先开通循环冷却水，使U形管换热器管束首先充满循环冷却水，并确认通畅。

加热高温氮气的过程中，应缓慢加热，并保证加热后的氮气缓慢进入U形管换热器。

U形管换热器运行时，工艺生产如需采用通过调节循环冷却水流量的方式以达到调节U形管换热器出口氮气温度的目的时，应针对换热器循环冷却水出水口阀门进行流量调节，严禁针对换热器循环冷却水进水口阀门进行流量调节。

在停车过程中，先缓慢关闭和停运U形管换热器进口高温氮气，使其U形管换热器管束各部分温度趋向与循环冷却水温度一致时再关闭U形管换热器循环冷却水。

3.2 U形管换热器结构设计改造

在U形管换热器氮气入口部位增加防冲板，既能减轻高温氮气对弯管的冲刷，又能相应增加有效换热停留时间，从而改善换热效果。如图2所示。

图2 壳层入口加防冲板示意图1):定距管；2):滑板；3):定距管；4):拉杆；5):螺母；6):拉杆；7):防冲板；8):拉筋

表2 U形管换热器换热管分布数量及长度

通过计算换热管总长度，新增加8根换热管，合理布局排列，既达到了避开残余应力较大区域，又保证了换热面积。计算过程如下：

U形管总数：n1=6+9+14+17+18+19+20+21+20+23+24+25+24+25=265

左移200 mm后相当于减少的换热管总长：L1=265×2×0.2=106 m

通过合理排列增加8根换热管后的增加总长(即第1层增加2根；第2层增加2根；第7层增加2根；第8层增加2根)：

L2=(13.975+13.889+13.309+12.973)×2=108.292 m>L1，符合要求，新增加8根换热管可以满足换热面积的要求。

4 结 论

自2013年年初对第一台换热器更新改造以来，所涉及装置系统运行良好，根据我们对其运行状况进行的8年多的跟踪结果，说明改进措施达到了预期的目的和效果。