哈雷钎焊板式换热器
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GH型列管式石墨换热器的泄漏原因

点击:2125 日期:[ 2014-04-26 22:00:42 ]
                                GH型列管式石墨换热器的泄漏原因                                       郭建民 许丽 张敬宇                            (葫芦岛华天实业有限公司,辽宁葫芦岛125001)     [摘要]介绍了GH型列管式石墨换热器3种典型的泄漏形式,从设备制作、工艺控制等角度分析了泄漏原 因,提出相应的解决措施。     [关键词]列管式换热器;石墨换热器;泄漏原因  [中图分类号]TQ114. 15 [文献标志码]B [文章编号]1008-133X(2009)01-0040-03     GH型列管式石墨换热器具有优良的耐腐蚀性和传热性,广泛应用于氯碱生产中,如用于氯化氢合成工序的脱酸冷凝器、乙炔和氯化氢混合脱水工序的预热器[1]。列管式石墨换热器结构如图1所示。                        其结构形式是:不透性石墨换热管和管板用粘接剂粘接组成管束,放置于钢制圆筒壳体内,两端设置不透性石墨材料或钢衬胶的封头。     下面结合多年实践经验分析GH型换热器泄漏的几种原因,并力求找出解决措施。     GH型换热器的主要泄漏形式有3种:列管泄漏、管板泄漏、壳体泄漏。     1 列管泄漏     1.1 换热管本身的泄漏     (1)换热管本身泄漏是由管体质量差造成的。     GH型石墨换热器使用的是酚醛石墨压型管, 由人造石墨粉和酚醛树脂按一定比例配制,混合、挤压而成。由于其密实无孔,不须进行树脂浸渍或表面机加工,管体本身必须固化完全、表面光洁、无宏 观裂纹、无砂眼等。安装换热器时,若单管的试压、表观检测不严格,不符合上述要求的换热管就会被 误用。换热管以粘接形式固定在管板上,形成管束 对管板的约束作用。生产使用中,管板受介质压力, 必然发生弯曲变形,与其相连接的换热管也就会发生两种变形:①使之发生纵向拉伸或压缩;②使之随着管板的挠曲而发生弯曲,并且越靠近边缘的管弯曲越大。而有缺陷的石墨压型管若布置在受力变形较差的区域时,很容易发生断裂致泄漏。这种泄漏形式并不多见。     (2)冻裂。     在泄漏的石墨管中发现有类似冰状的结晶物, 结晶物的位置即为石墨管的开裂或断折点,该泄漏为冻裂。乙炔和氯化氢混合冷冻脱水利用的是氯化 氢吸收水分并以40%的盐酸雾状析出的原理,而当 降低温度时,可生成更浓的盐酸和更低含水量的混合气。因此,在一定范围内温度越低,混合脱水的效果越好。但当温度降至-25~-20℃时,饱和盐酸易形成水化物结晶,堵塞列管,轻则脱水系统因阻力 大紧急停车,严重时管内结晶物因体积膨胀挤裂石墨管,造成设备的大面积损坏。为避免此类情况,脱水温度一般控制在(-14±2)℃。     冻裂造成的列管泄漏主要是工艺控制不达标, 析出水化物结晶造成的。解决冻裂的措施是严格控制脱水温度的下限值。     1.2 管头与管板连接处脱开泄漏     GH型换热器管头与管板采用胶粘连接形式, 图2[2]是GH型换热器常用的管板、列管连接方式。                        这种连接方式对制作安装要求较高。①黏合剂 的许用剪切应力要足够大。因为在粘接面上,要能 承受由温度、操作压力以及设备装配时所产生的轴 向力,还要能承受立式安装时物料和设备重力所引 起的轴向力。这几种合力在粘接面上共同产生的剪 切应力不能超过黏合剂的许用剪切应力。②要采用 合理的粘接面。要保证管头插入管板的深度和锥度 尺寸,以确保足够的粘接强度和气密性。插入长度 要适当,不足,抗拉脱力不够;过长,粘接处产生的温 度应力大,反而有害。制造单位一般有明确的规定。 ③胶粘质量要稳定。这涉及到黏合剂的制备和胶粘 工艺的合理性(如粘接面四周的胶泥是否均匀,是 否存在气孔,各石墨管的长度偏差是否在规定范围, 管头与管板孔的严密贴合程度如何)。若施工不 当,则易造成各列管抗拉脱力严重不均衡,抗拉脱力 弱者先泄漏。     在实际生产中,遇到的泄漏情况多为3种因素 的共同作用。而在操作异常情况下:如乙炔和氯化 氢混合脱水工序发生过氯事故,造成生产系统温度 压力骤升,黏合剂抗拉脱力相对不足发生泄漏。以 正常生产情况考虑,应以提高黏合剂的许用剪切应 力和提高粘接质量为首要考虑的解决措施。     2 管板泄漏     管板失效情况并不多见,偶然性偏大,在乙炔和 氯化氢混合脱水工序曾出现3次,具体情况如图3。                          (1)管板沿厚度方向出现贯通裂纹(该失效形 式出现过1次)。①管板制作存在质量问题。乙炔和氯化氢混合脱水工序使用的是GH900Ⅱ型冷凝器,管板直径900 mm,超过500 mm直径的管板很少由整体材料加工而成,多采用双层或多层平板拼 接结构。这样,粘接缝就成为管板的薄弱区,在受力恶劣条件下,有成为开裂点的可能。②安装时产生过大的安装应力。现场安装设备时,管路、设备间产 生安装应力不可避免,过大的应力在短时间内不会 破坏粘接,而长时间作用下极易成为开裂的诱因。 因此,安装石墨设备时要尽量按安装规范进行,提高安装质量,避免对石墨件产生较大的应力;管板尽量采用整体材料。随着石墨加工能力的提高,石墨管板整材化正在逐步实现。     (2)管板上表面出现直径15~20 cm、深1 cm 的“崩裂”———石墨材质以碎块形式成片脱落(该泄 漏形式出现过2次),这种情况基本是由生产系统 异常操作造成的。2次“崩裂”泄漏都是在系统出现 过氯事故后发生的。其原因如下:GH900Ⅱ型冷凝 器的管板是采用双层或多层平板拼接结构,加工成 品后浸渍酚醛树脂而成。粘接缝树脂和浸渍树脂与 石墨材料的热膨胀系数不同。在较高操作温度下浸 渍树脂和石墨材质将发生显著热变形,因其热胀率 不同(树脂膨胀变形要大于石墨材质),变形不均造 成两者间产生温度应力。温度应力足够大时,石墨 材质受浸渍树脂挤压发生脆性断裂,而多个微观的 脆性断裂点、断裂区积聚成较大的宏观“崩裂”。 可见,造成石墨管板“崩裂”的原因是过氯事故 给系统带来瞬间高温、引发管板组成材质间较大温 度应力的结果。避免该情况出现的措施:合理调节 HCl合成过程中的氢氯比,确保游离氯反应安全,遏 止混合器中可能出现的氯、乙炔的过氯反应。     3 壳体泄漏     壳体泄漏的部位如图4所示。区域1为回水管 口水平对应的壳体位置,即最高液面对应区域;区域 2为壳体各水平、垂直焊缝。                          泄漏原因分析:GH900Ⅱ型冷凝器的冷凝介质为-35℃盐水(CaCl2水溶液,相对密度为1. 275~ 1. 295, pH值为7),换热器壳体材质为Q235A。该 冷却循环系统存在均匀腐蚀和局部腐蚀。 (1)该循环冷却系统在盐水箱侧是敞开的,故 水中溶解氧浓度较高。pH值在7左右,氢离子浓度较低。这种情况下,碳钢表面腐蚀电池中的阴极反应主要是氧的还原,阳极反应则是铁的阳极溶解:                                               在正常情况下,壳体发生腐蚀均是由于循环水 中溶解氧浓度较高导致的均匀腐蚀和局部腐蚀。均匀腐蚀是发生在整个冷却循环系统的;而局部腐蚀 主要是以区域1、区域2为主的电化学腐蚀,以及石 墨材质与钢壳体直接接触处的电偶腐蚀。     区域1腐蚀严重是因为在该处的盐水表面空间富氧,致使该处阳极反应快于其他部位,碳钢腐蚀速率加快。     区域2即焊缝腐蚀是典型的孔蚀。焊缝材料与金属母材在化学成分上有差异,两者具备形成腐蚀电池的条件。焊缝在焊接过程形成的焊接缺陷,如夹渣、气孔、焊接不均为孔蚀发生提供场所; CaCl2 水溶液中的Cl-促进反应进行, Fe在蚀孔内溶解, 生成Fe2+,造成蚀孔内正电荷过量,使Cl-迁移到蚀 孔中维持溶液的电中性。因此,蚀孔内有高浓度的 FeCl2,FeCl2水解产生高浓度的H+、Cl-,进一步促进焊缝材质的溶解。循环系统供多台换热设备使 用,若某一台管程介质含HCl的换热器发生泄漏, 且发现不及时,循环系统内pH值会快速降至3以下,循环系统内将发生电化学腐蚀(这种情况属异常情况,较少见)。两种腐蚀的叠加作用将进一步加快区域1和区域2的泄漏。     有效避免壳体泄漏的方法:①采取材质为石墨 的壳体,破坏电化学腐蚀形成条件;②钢制壳体内部 做防腐涂层,进行阴极保护;③严格控制工艺指标, 及时发现生产异常,确保盐水循环系统pH值≥7。     参考文献     [1]严福英.聚氯乙烯工艺学[M].北京:化学工业出版社, 1990.     [2]许志远.石墨制化工设备[M].北京:化学工业出版社, 2003.     [3]周本省.工业冷却水系统中金属的腐蚀与防护[M].北 京:化学工业出版社, 1993. [编辑:董红果] 
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