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EA-303换热器在使用过程中故障分析及改造
李艳萍1,回经纬1,刘建华1,李凤德1,迟天虹2,刘晓冬1
(1.中国石油吉林石化公司炼油厂,吉林吉林132022;2.吉林市燃气管理办公室,吉林吉林132000)
摘 要:EA-303立式换热器在使用过程中,由于物料中含有环丁砜、水和蒸汽,致使换热器管束频繁出现故障。主要原因是介质腐蚀和冲刷以及焊接工艺。通过分析和研究,从换热器的操作、材质和技术方面进行了改造,取得了较好的效果,延长了使用周期。
关键词:故障;腐蚀;焊接;改造
中图分类号:TE 980.5 文献标识码:B 文章编号:1008-0511(2007)04-0031-03
EA-303为重整汽提塔再沸器,该换热器为固定管板式,管程介质为环丁砜、水和烃,壳程介质为1.8 MPa蒸汽,2001年3月开始投用。截至目前为止,该换热器共更新6次,每次泄漏的位置都是管板或换热管,泄漏9次,制造单位共4家。在使用的6台设备中,除了江滨设备厂制造的不锈钢材质的换热器和无锡鼎邦换热设备有限公司制造的普通碳钢材质的换热器外,其余的换热器平均寿命在6个月左右。由于该换热器频繁出现故障,导致300#抽提单元停车,检修换热器,不仅无法完成加工量及产品质量,而且增加了维修费及制造费。因此,EA-303换热器改造势在必行。
1 故障主要原因
1.1 介质腐蚀
由于该换热器管程物料中含有环丁砜、烃、水,环丁砜溶剂在220℃时,受热容易分解,产生SO2及可能是聚合物的不饱和物。对含有少量水或不含水同时含有烃的环丁砜进行腐蚀试验,表明对碳钢的腐蚀作用可以忽略不计。但由于该物料中含有大量的水,其中SO2与水结合生成H2SO3,H2SO3呈酸性,对设备造成腐蚀。另一个腐蚀介质是壳程物料中的蒸汽,蒸汽虽然是一种弱腐蚀介质,但它在壳程中对管束造成的冲刷腐蚀却很严重,导致换热管出现腐蚀泄漏。1.2 焊接工艺该换热器出现故障频繁,表现焊口砂眼较为常见,裂纹出现次数较少。损坏频率较高的几台换热器焊接时,采用先胀后焊,强度胀和强度焊相结合,这样在胀接后再进行焊接,导致焊接时温度高,使先胀开的管子因为受热更加膨胀,效果不好,和单纯的焊接差不多,而且一般厂家普通手工焊接很难达到焊接要求,导致换热器频繁损坏。另外,管子与管板焊后应力未消除,运行时产生温差应力,两种应力叠加,造成管桥及管子端部拉裂,裂纹较深,难以消除补焊。
2 改造方法
2.1 针对腐蚀采用的主要措施及改造方法
2.1.1 控制好物料的温度和水的含量
首先解决操作上存在的问题,控制好物料的温度和物料中水的含量,防止温度过高,环丁砜加速分解生成亚硫酸。在日常抢修后投用EA-303,首先要建立溶剂循环,再进行换热器升温,建立溶剂循环一般是使用系统溶剂,溶剂温度在160℃左右。因为EA-303是固定管板式换热器,不允许单项受热,要求两流体温差不宜超过60~70℃,否则会因为温差太大,管与外壳产生较大的热应力,造成管子与管板松脱破裂而漏液。因此,投用此换热器时,要先将此换热器壳程进行预热,用蒸汽小旁路将蒸汽引入系统,此时流量要小。投用蒸汽排凝水阀,使换热器缓慢升温,当温度达到60~70℃时,引入系统溶剂,进行溶剂循环,减少换热器管壳程温差。在大检修后系统开车时,由于系统是冷油,因此投用该换热器时,需要逐步预热,从上至下启用换热器壳程上的3个排凝阀。如图1所示。
因为系统中进入的是冷油,投用蒸汽旁路小阀时,蒸汽流量要小,蒸汽被冷油冷凝下来,凝水压力不足,不能并入凝水系统中,需要在壳程排凝处进行排凝,使壳程逐步预热,当从壳程最下部的排凝处排出蒸汽时,此时说明换热器达到了充分预热的条件,对换热器进行反向预热,然后投用换热器。
2.1.2 采用18-8不锈钢0Cr18Ni10Ti
不锈钢能耐大气、蒸汽和水等弱酸介质的腐蚀。不锈钢主要依靠Cr元素的合金化来防锈。钢中的w(Cr)≥13%便可形成致密的Cr2O3保护膜,即钝化膜,就可耐蒸汽腐蚀。一般情况下钝化膜破坏后可以自行修复,除非在活性很强的Cl-或醋酸镁介质中。奥氏体不锈钢是目前应用最广泛的不锈钢,它具有耐腐蚀性良好、冷加工性能优良、适用温度范围广、焊接性能优良等特点。由于管束内物料易腐蚀,且壳程内的蒸汽对管束具有冲刷作用,壳体本身不易受冲刷腐蚀,因此管束采用不锈钢材质,壳体采用16 MnR。更换不锈钢管束后,该换热器使用至今。
2.2 针对焊接工艺方面改造方法
2.2.1 先焊后胀
影响焊缝强度的主要因素是焊接材料、焊接工艺、焊缝结构。列管式换热器,管子与管板的主要连接形式胀接、焊接和胀焊结合。当设计压力低于2.5 MPa,设计温度低于200℃时,管子与管板之间采用胀接;胀接结构比较简单,便于更换和修补管子,但由于有热胀冷缩,随着温度的升高,胀接处管子的残余应力逐渐消失,从而降低了密封性与抗拉脱能力,一般化工厂不予采用。焊接适用于高温高压、易燃易爆的流体,加工简便,连接强度好。在高温高压时能保证连接处的紧密性与抗拉脱能力,绝大多数情况下采用此方法,管子与薄管板的固定更应该采用焊接。采用胀焊结合是由于管子与管板间存有间隙,这些间隙中的流体不流动,很容易造成间隙腐蚀,特别是对于有腐蚀性的介质而言,所造成的间隙腐蚀更为严重。胀焊结合,一般厂家采用强度胀和强度焊相结合,利用胀管器,使伸到管板孔中的管子端部直径扩大产生塑性变形,而管板只达到弹性变形。原换热器设计时采用贴胀和密封焊。如图2所示。
EA-303换热器改造后采用强度焊加强度胀,先焊后胀,这样做是因为当采用胀管器胀管时需要润滑油,胀后难以洗净,在焊接时存在于缝隙中的油污在高温下生成气体从焊面溢出,导致焊缝产生气孔,严重影响焊缝质量。先焊后胀,焊接保证密封性,全部采用氩弧自动焊,焊两遍,焊口较为平缓,没有电流过大或过小产生的副作用,然后胀接承受拉脱力。由于EA-303使用条件苛刻,改造前贴胀时没有槽孔,管子伸出管板外1.5mm,改造后采用强度胀时用带有槽孔的结构可以抵抗拉脱能力和密封性,开槽深度0.5 mm,胀接要求达到全厚度胀接,管板壳程侧允许不胀的最大深度为15 mm,管子伸出管板外3 mm,外面是角焊缝。如图3所示。
焊后进行气密性试验,如果有泄漏,必须对焊缝进行修补,无渗漏后做焊后消除应力处理,然后进行强度胀,最后进行水压试验。
2.2.2 加大管桥间距
原换热器壳体直径为850 mm,换热面积218m2,管外径25.4 mm,最小厚度2.77 mm,管子排列采用正三角形排列,管间距32 mm,管桥理论尺寸为6.6 mm。对于6.6 mm的管桥理论尺寸,在焊接过程中,焊缝很容易出现重叠,造成未焊透而泄漏,或焊缝叠加,造成焊接应力增大而导致焊口开裂。经与无锡鼎邦换热设备有限公司研究,将壳体直径改为950 mm,管外径为25 mm,厚度2.5 mm,管间距变为36 mm,管桥理论尺寸为11mm。通过增大管桥间距,可以增大外角焊剖口,在焊接时可以增加焊缝的强度,防止焊缝出现未焊透或裂纹等。虽然壳体直径有所改变,由850mm增大到950 mm,但法兰接口并未改变,所以安装并未受到影响,而且换热面积为214 m2,在理论上只减少了4 m2,并不影响使用效果。
2.2.3 焊后热处理
原来的几台换热器管板焊接后可以不进行焊后热处理,改造后的换热器管板与管头进行焊后去应力退火,可以消除焊接残余应力。焊后热处理是消除管板管子端部开裂非常重要的工序,消除焊接应力后,设备运行时仅有温差应力等正常工作应力,符合设备设计时考虑的强度计算,因为焊接应力在设计计算时是无法计算的。消除焊后应力,特别是在全部碳钢或碳钢钢板不锈钢管时,尤为重要。
2.2.4 管板与换热管的质量控制
管板与换热管的质量控制对于换热器是否出现故障,也起着关键作用。管板必须是Ⅲ级锻件,车后钻孔时必须再次100%UT检测,保证在UTⅡ级以上。换热管必须逐根进行ET+UT试验,要求100%合格。特别注意管子两端盲区,根据目前国内钢管的实际情况,管子两端150~200mm往往是ET、UT的盲区,最佳处理是在钢管订货时长度在原有的基础上增加300 mm,而制造穿管前两端割去150 mm,这样可以保证管子的质量,防止管两端出现检测盲区,避免管板与管口端出现砂眼或裂纹。
3 结 论
经过上述的操作和改造,现在所使用的不锈钢材质的换热器正常运行至今已两年半,另外一台同样条件下的普通碳钢材质的换热器运行也将近两年,从使用效果上看有很大的改善,不仅避免了换热器泄漏造成的停车产量损失,节省了开停车和检修费用,而且还节约了制造费用,使装置能够安全、平稳、高效运行。
[参 考 文 献]
[1] 兰州石油机械研究所.压力容器用材料及热处理[M].北京:化学工业出版社,2005.
[2] GB150-1998,钢制压力容器[S].
[3] 李箕福,王移山,薛春月.不锈钢及耐蚀耐热合金焊接100问[M].北京:化学工业出版社,2000.
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