管板换热器
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换热器管束断裂分析及修复点击：1949 日期：[ 2014-04-26 22:42:37 ] |
| 作者:宋永兰 马永平 【关键词】换热器,管束,断裂,空心塞铆接 【论文摘要】过热器管束断裂分析及修复 EA-304乙苯／蒸汽过热器是苯乙烯装置中，反应器出料废热回收系统3个连在一起的组合换热器之一。其回收的热量占总回收热量的61.6%，装置能否完成年产6万t苯乙烯的设计负荷，这台设备起着重要作用。 1 结构特点 废热回收系统是3台设备组合一体的结构，全长达25.7 m，接口少，泄漏机会少，结构紧凑［1］。为了解决系统热膨胀问题，采取设备中间固定，两端自由伸缩的结构。在EA-304入口和EA-307出口处分别装有膨胀节，进出口高温管线上均装有管道膨胀节，可使设备壳体和管道向外、向两侧伸展。 EA-304固定管板厚117 mm，其中有11 mm的焊接膨胀槽。固定端的管子与管板之间采用内孔自动氩弧对接焊，从成型方面分析，优于固定管板端面焊结构。采用这种焊接方法可以解决高温冲刷焊缝造成过热氧化的问题，使管子热应力由拉应力变为压应力，还可以避免管板与管子的间隙腐蚀［2］。由于EA-304壳体和换热管温差较大，故采用了浮动管板，可使换热管自由伸缩。浮动端管板采用填料函式密封，填料函宽50 mm，高16 mm，总厚70 mm。这样在浮动管板线膨胀位移时，封住物料，使换热管自由伸缩。浮动端为手工氩弧焊搭接焊接，搭接长度为6 mm，这样可以降低焊口温度，增加联接可靠性。 2 换热管断裂原因分析 1991年秋季发现EA-304的换热管有108根断裂，到1993年累计断裂换热管319根，导致换热器内漏，严重影响苯乙烯产量。 2.1 结构因素 EA-304管板设计过厚，固定端管板117 mm，浮动端管板77 mm。管束在高温运行时受热膨胀，停车时回缩引起浮动管板变形，导致换热管受疲劳载荷而断裂失效。EA-304与DC-302反应器直接相连，反应器中的催化剂粉尘不间断地向后系统飘逸。催化剂中大量重组分，如Fe2O3和MgO2绝大部分沉积在设备的缝隙中。乙苯与粉尘混合，在高温下形成焦化物、碳化物，并滞留在浮动管板与凸台的间隙中。再加上每次开停车凸台下的沉积焦化物和碳化物都要受到挤压，周而复始，被压成硬块，更加剧了浮动端管板的变形，加快了管束断裂速度。 2.2 高温冲刷焊缝造成过热氧化和腐蚀 检查发现所有断裂都发生在固定管板端，部位均在对接焊缝处。1993年5月用内窥镜检查，未断换热管的对接焊缝上部完好，下部的1／3焊缝呈现坑坑洼洼的腐蚀麻点。这表明高温冲刷还是存在，它引起焊缝的过热氧化和腐蚀，削弱了焊缝处的强度。 2.3 应力腐蚀破裂 在EA-304浮动端管板变形使换热管遭受疲劳载荷的情况下，管束在H2、CO2及水蒸气等介质中必然产生应力腐蚀破裂。 3 换热器修复 在比较了一般采用补漏、堵管或更换管子的办法后［3］。采用空心塞铆接的方法修复换热器。 3.1 空心塞设计 (1)尺寸 换热管断裂在117 mm的对接焊缝处，修复断裂管时，取空心塞的长度为160 mm，中间凹进1.5 mm，这样可使渗入的液体起水封作用。根据换热器管板孔33.8 mm， 选空心塞直径为34 mm。为尽量减少对换热面积的影响，空心塞内孔设计为27 mm。实心塞子影响换热面积12.4%，空心塞子影响换热面积4.4%。因此，空心塞子对产量影响较小。 (2)材料 空心塞材质定为1Cr18Ni9Ti,其理由是：①不锈钢在H2、CO2、水蒸气中不会发生应力腐蚀，即使在负压下操作，受持续性拉伸应力，也不会发生应力腐蚀，只有在含氯离子的介质中才出现应力腐蚀。②不锈钢耐温高，韧性好。③不锈钢热膨胀系数大于高强合金钢，受热时不锈钢首先膨胀，铆接效果好，不易泄漏，不易脱落。 3.2 空心塞铆接工艺 先对管板孔进行处理。把29.5 ～33.5 mm铰刀调节至33 mm进行铰孔，而后再把33.5 ～38 mm铰刀调至34 mm铰孔，铰至无障碍为止。制作了如图1a所示的专用工具。对断裂翘起的换热管制作了如图1b所示的专用工具，铆接时要求将空心塞打入开裂换热管内40 mm以上。全部空心塞铆接完后，进行试漏检验，以不漏为合格。 3.3 修复效果 1992年9月调整了浮动端变形管板，更换了填料，清理了催化剂粉尘碳化物、焦化物。改善了受力情况，铆接了所有泄漏换热管，影响换热面积7.9%。1993年5月和8月总计铆接空心塞319个，影响换热面积13.2%。3年中由于应用了空心塞铆接断裂换热管， 使得设备得到了有效的修复， 而且EA-304的出口苯乙烯含量由原56%提高到67.5%，接近设计值69%。 3.4 增设粉尘收集器消除超静定 在浮动端限位凸台下部开孔，增设一个粉尘收集器，从根本上消除超静定现象。在浮动端限位凸台下焊了一个34 mm×200 mm的盲法兰短节，减少了催化剂粉尘及重组分对变形管板的影响，缓解了换热管的断裂现象，至1994年5月检修为止，未出现大的泄漏。 4 结 语 针对EA-304存在的结构问题，采用空心塞铆接断裂换热管方法对其进行修复，在安全运行3年后检查铆接部位，没有出现再泄漏问题。 参考文献： ［1］ 杨惠春.苯乙烯初步设计［M］.淄博：周村印刷厂，1987. ［2］ 尤万国，陶 颖.换热器管板内孔焊结构设计［J］.压力容器，1995，12(5)：78-80. ［3］ 兰州石油机械研究所.换热器(中)［M］.北京：烃加工出版社，1988. |
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