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纵向翅片管式换热器的失效分析及改造措施点击：2086 日期：[ 2014-04-26 22:45:00 ] |
| 杨宝山 张 伟 (胜利油田海洋石油开发公司) 一、前 言 纵向翅片管式换热器是石油化工、能源等工业部门应用最广泛的设备之一,该设备以它占用空间小的独特优势被广泛应用于海上采油平台。埕岛油田中心二号平台采用的就是热媒油炉间接加热系统和钢制管壳式纵向翅片管换热器的组合方式。从卫星井组平台传送来的低温油气混合物在纵向翅片管式换热器中与高热媒油进行热量交换后,以比较适合的温度流入三相分离器进行油、气、水的分离,分离后的原油经过外输换热器的再次加热后向外输出。但由于油田生产的特殊性和油区原油含气量大且具有腐蚀性的影响,使得管壳式换热器处于较为复杂的工况中,经常引发换热器的失效而使设备发生故障。 二、纵向翅片管式换热器的构造及工作原理 埕岛油田中心二号平台上使用的ＣＰ-ＢＩＵ600-1.6/1.6-260-6/19-2Ⅱ原油/热媒换热器是纵向翅片管式换热器,属于管壳式换热器的一种类型。该换热器为Ｕ型管式结构,主要由筒体、封头、管束、管板、折流板、接管、法兰及膨胀节等组成,具有坚固紧凑、体积小、效率高、安全可靠、适应性强等优 点，其工作原理为热媒油走管程，原油走壳程，即高温热媒油从入口法兰进入该换热器后，与管束和壳程中混合有油井伴生气的低温原油进行热量交换，然后从出口回归热媒循环系统(见图1)。 三、纵向翅片管式换热器的失效分析 由于纵向翅片管式换热器自身结构的缺陷和海上平台使用工况的特殊性,造成了换热管与管板焊缝多次开裂,导致热媒油渗漏并流入原油中引发设备局部失效及整体故障。为此,现着重对纵向翅片管式换热器的三种失效形式进行如下分析。 1、 管束振动的失效分析 管束振动失效是导致热媒换热器发生事故的主要原因。埕岛油田中心二号平台上的热媒脱水纵向翅片管式换热器的结构是针对加热井组来油稳定介质设计的,除管板焊接处外,内部换热管均处在无支撑的自然状态下,其抗冲击的能力很差。由于平台现场进站原油中含有较多的油井伴生气,同时换热器内部没有设置抗冲击的减速装置,因此当原油进入换热器时,伴生气体(ＣＨ4等)突然发生体积的变化而改变流速,在进入纵向翅片管式换热器后会产生较大的冲击力并直接作用于管束上,管束再将振动波传到管束与管板的焊缝上,这样长期频繁的冲击就造成了焊缝因疲劳等原因而产生裂纹,在振动引起的交变应力作用下,位于主应力方向上的裂纹迅速扩展,从而最终导致管子因焊缝疲劳开裂而失效。 2、 管束腐蚀和磨蚀的失效分析 埕岛油田中心二号平台上的纵向翅片管式换热器是通过热媒油加热原油的,其换热介质(原油)中含有ＳＯ2、Ｈ2Ｓ等成分,具有相当的腐蚀性,且流经换热器的速度较高,增加了腐蚀和磨蚀的强度。 3、管道与管板连接的失效分析 埕岛油田中心二号平台上的热媒脱水纵向翅片管式换热器采用的是常规单面焊接(见图2)。该方法在焊接时易产生焊接缺陷(如烧穿或未焊透),焊缝接头处产生的热应力可加速应力腐蚀速度;壳程介质易进入管子与管板孔的间隙死角中还会引起缝隙腐蚀; 此外,纵向翅片管式换热器还不同程度地受到介质腐蚀、应力腐蚀等腐蚀失效及管束泄漏失效等形式的影响。 四、技术改造措施 1、 管束振动失效的改造 (1)改变流速减少对管束的直接冲击 在原油入口腔体内增加一个导流筒使纵向翅片管式换热器内部形成一个缓冲腔,通过纵向翅片管式换热器筒体和缓冲导流筒吸收因流速变化引起的大部分冲击能量。 (2)改变管束的支撑形式 除采取部分钢质支撑圈用于保持翅片管的相互定位外,还增加了部分具有一定硬度和柔韧性并可起到吸收振动作用的耐热软塑料材质支撑圈。 (3)增加边侧折流支撑板的强度 减小边侧折流支撑板与筒体的间隙,加强管束的整体刚性,使换热器筒体和悬浮的管束保持相同的振幅,以避免纵向翅片管式换热管与管板间的焊缝撕裂。 2、 管束腐蚀和磨蚀失效的改造 (1)定期清洗管束。 (2)在流体中加入缓蚀剂。 (3)选择适当流速。 (4)在流体入口处设置过滤装置等。 3、管道与管板连接失效的改造 (1)改进焊接工艺,将单面焊接改为双面焊以加强换热管与管板之间的焊缝强度(见图3)。焊接时,必须在打磨管道端口后,采用氩弧双面焊方法,变管板与管束前端的平齐焊接结构为管束伸出一定长度的角型焊接结构,将管束与管板由平放位置改为立放状态,变换热管与管板前侧的垂直焊接形式为水平焊接形式,以确保达到角焊接的焊接要求。 五、改造效果 改造后的纵向翅片管式换热器的使用寿命是改造前的2倍,由于寿命延长,在一个检修周期内,一台换热器的综合检修费可节省20万元以上。同时这些改进措施还大大地增加了原油加热生产的安全性和可靠性,并为其它类似工况下的海洋平台的原油加热系统提供了可借鉴的经验。 |
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