溶剂再沸塔再沸器管束故障原因分析

张德声

(中国石化上海石油化工股份有限公司芳烃部，上海 200540)

“U”形管式换热器能消除管壳程之间的温差影响，具有结构简单、造价便宜、检修方便、管外易清洗等优点，在化工、炼油、动力和核能工业中具有广泛的应用。由于换热器为“U”形弯管的结构，管束的固有频率较低，极易在横向流中引起振动[1]。因此，管束使用中振动现象时有发生，尤其是采用较少折流板和较小直径管子的换热器[2-6]。文章就某环丁砜抽提装置中发生的换热器管束振动的原因进行了分析。

1 故障情况

故障管束为抽提装置溶剂再沸器，用来加热塔底溶剂，管程介质为蒸汽，为塔釜提供热量。管束直接插入塔内底部，操作过程中管束浸没于塔底液面下。塔底(即管束壳程)进料分为两股，一股气相进料(温度176 ℃)自管束下方的进料分配管进入塔内，另一股液相进料(温度105 ℃)在塔底液面上方进入，而出口全部为气相，至塔顶排出。再沸器主要技术参数见表1。

表1 再沸器主要技术参数

管束投用以来经常发生故障，使用周期只有8～12个月。故障均为管束内漏，经多次修复，问题未得到彻底解决。每次检修均发现支撑板内孔磨损扩大，尤其是第1、2排(自上而下)管子的磨损最大，管束存在振动的可能。管板壳侧表面腐蚀，拉杆与管板的连接处松脱，拉杆端部固定螺栓脱落导致换热管泄漏。而“U”形换热管外表无明显腐蚀，说明碳钢材料存在腐蚀。

2.1 管束振动情况

再沸器直径为500 mm，换热管130根，共10排，正三角形布置；换热管材料为S32168，直径19 mm，壁厚2 mm；支撑板间距560 mm，再沸塔直径1 800 mm。管束安装在塔底内部，依靠滑道安装在塔内两根支撑角钢上，并用“U”形抱箍固定，管束支撑的刚性较差，支撑角钢也曾脱焊松动。塔底气相进料经塔底下方的分配管后，由下向上横向流过管束，对换热管产生向上升力，引起管子振动，造成换热管、支撑板接触部位磨损。因此，壳程两相流诱发管束振动的可能性很大。

2.2 管束振动计算分析

操作过程中管束在塔底液位以下，液体被加热后气化向上由塔顶排出，气相垂直于换热管流动，为两相流诱导的管束振动。国家标准GB/T 151—2014《管壳式换热器》给出了液相或气相的振动计算方法，而本例介质为气、液两相，故按照文献[7]推荐的方法，对管束外两相流引起的振动进行计算和分析。

管束振动产生的主要原因有流体弹性不稳定、湍流激振、漩涡脱落激振及声共振等。两相流引发的振动主要是流体弹性不稳定及湍流激振，声共振诱发振动的可能性较小。

(1)换热管束固有频率f计算

由于“U”形管束的结构特性，各排“U”形管的长度、数量、弯曲半径及弯曲部分支撑结构尺寸并不一致，固有频率也不一样。因此，需分别计算各排管束的固有频率。计算时流量按实际操作值，并根据平均温度确定物性参数，减小误差。物性数据取自装置设计文件，管束结构参数见表2。

表2 管束结构参数

*管板表面(管程)堆焊了S32168不锈钢。

对于“U”形管束，固有频率f按公式(1)[8-9]计算：

(1)

式中：f为“U”形管在两相流中的固有频率；E为换热管弹性模量，对于不锈钢材料取190 GPa；do为换热管外径；di为换热管的内径；λn为频率常数，与管端固定及跨数相关，对各排“U”形管有各自的频率常数，分别取3.1、3.65、3.8、4.2、5.45、5.6、6.4、7.4、8.05、8.05；m为每米管长的总质量，文中取1.15 kg/m。

将上述数据代入公式(1)计算，得到第10至第1排“U”形管的固有频率分别为：100.52 Hz、100.52 Hz、92.41 Hz、79.92 Hz、69.93 Hz、68.1 Hz、52.45 Hz、47.45 Hz、45.58 Hz、38.71 Hz。

(2)流速计算

判断流体弹性不稳定引起的振动主要依据是管间流速是否大于临界流速，两相流体在管间隙中的流速Vg按公式(2)计算：

Vg=VS/(S-do)

(2)

式中：S为管子中心距，0.025 m；do为换热管外径，0.019 m；V为气液两相平均流速，2.65 m/s，其中V=Vg+Vl，Vg为气相速度，Vl为液相速度。

本例中壳程介质进料为气液两相，气相底部进入，加热后汽化并垂直于管束向上流动；液相在液面上面进入，塔釜的流动除了由温差引起的液体流动外，主要是气相的流动，气相介质的流动是诱发管束振动的主要原因。从传热过程分析，介质气化在经过管束加热后才开始，气相的流动在管束中部以上居多，部分气化在管束以上的液体内进行。故计算气液平均流速时,不考虑管束上方对振动无影响的气相流量，取4 000 kg/m3来计算壳程横向流动速度。操作过程液面波动很小，取V1≈0。

根据公式(2)计算得管间流速Vg=9.55 m/s。

(3)流体弹性不稳定计算

设计时，换热器壳侧两相流的实际流速应小于临界流速(Vc)，Vc按公式(3)计算：

(3)

式中：Vc为临界流速，m/s；K为不稳定常数，对节径比S/do=1.317，小于1.47，因此按式K=4.76(S-do/de)+0.76计算，计算得到K=2.263 1；δ为管子的对数衰减率，反映两相流换热器的结构阻尼、黏性阻尼、两相组分阻尼，根据文献[7]计算得δ=0.069 5。

将上述数据代入公式(3)，计算得到第10排Vc=2.28 m/s。

对第9至第1排“U”形管分别计算δ，得到其余各排管子的Vc分别为2.28 m/s、2.18 m/s、2.02 m/s、1.89 m/s、1.86 m/s、1.52 m/s、1.63 m/s、1.55 m/s、1.51 m/s、1.39 m/s。对照临界流速，发现管间流速均大于临界流速。

根据振动分析计算可以知道：两相流的管间流速为9.55 m/s，大于管束各排换热管临界流速，所以管束产生流体弹性不稳定。因流速较大，结构吸收的流体力超过了阻尼的耗散，导致流体弹性不稳定；流体力和结构运动耦合，导致管束产生振动。计算各排管子的临界流速中，最低的为第1排管子，1.39 m/s，其弯曲半径最大、固有频率最低；最高的为第10排管子，2.28 m/s，其弯曲半径最小，固有频率最高。计算说明第一排管子最易发生振动，这与管束第1排支撑板磨损最严重的状况相符。

2.3 介质腐蚀的影响

再沸器壳程介质为富溶剂(主要为环丁砜、水)，管程介质为蒸汽。环丁砜溶剂化学性质和热稳定性较好，在使用过程中，环丁砜溶剂在温度高于180 ℃时开始分解，但分解速度缓慢，腐蚀性较小；随着温度的升高，分解速度加快，当温度超过220 ℃时，分解明显，溶剂颜色变深，分解生成浅黑色的聚合物、SO2和磺酸类物质，pH急剧下降，腐蚀性增加。除温度外，影响环丁砜分解、劣化的因素还有溶剂系统的氧、氯离子和水的含量等。环丁砜的劣化容易造成系统腐蚀加剧，但对不锈钢材料的腐蚀性很小，故材质为S32168不锈钢的“U”形管和有不锈钢堆焊层覆盖的管板没有腐蚀。实际操作温度接近180 ℃，因此碳钢的拉杆、没有堆焊不锈钢一侧的管板以及管板螺纹孔都存在腐蚀[10-11]。拉杆与管板连接螺纹孔间隙内介质不流动，并不断受热分解，腐蚀性介质不断浓缩，形成缝隙腐蚀。管束振动使拉杆、螺纹孔表面形成的保护膜不断破坏，加速了腐蚀的进程；管板连接螺纹孔腐蚀不断进行，最终导致拉杆松脱。

3 结论

(1)管束损坏的原因是振动与腐蚀的复合结果，其中“U“形管束的流体弹性不稳定引起的振动是主要原因。换热管与管板胀接后，胀接部位有较高的应力，振动使这一部位叠加拉伸与压缩的交变载荷，使用时间长了管子产生疲劳裂纹，在胀接与不胀的交界处产生裂纹并形成疲劳开裂[12]。振动也使换热管与支撑板之间产生周期性撞击，形成微动磨损，导致支撑板孔磨损、扩大。管束拉杆的材质是碳钢，与管板的螺纹连接部位存在缝隙腐蚀；而管束长期振动也加快了腐蚀，使拉杆孔腐蚀、松动，阻尼作用减弱，促使振动加剧。

(2)由于管束振动的主要原因是管间流速过大，为避免管束振动，应提高管束固有频率和临界流速，在结构上增加3块支撑板，同时减小50%的流量。经计算管间流速可减小至4.77 m/s，但仍大于各排管子中的最大临界流速3.53 m/s，管束仍会产生流体弹性不稳定引起的振动。由于介质气化后体积膨胀增大，导致流速过大，提高固有频率，降低流量仍不能完全消除振动，需要做更大的改变，如增加管束直径、扩大管板布管区域、布管方式由三角形变为正方形、减少处理量。但这些改动涉及范围较大，需要改变原有塔及管束的尺寸和结构。

(3)改单面堆焊S32168不锈钢为采用整体不锈钢管板、拉杆材料也由碳钢改为S32168不锈钢,减小壳程介质腐蚀，防止拉杆孔腐蚀松动加剧振动。