列管式换热器管束胀口泄漏分析

2020-12-31龚恒强王新花

石油和化工设备 2020年8期

龚恒强，王新花

（中国石油兰州石化公司动力厂，甘肃兰州 730060）

列管式换热器是常见的工艺设备，通常是作为空压机中间冷却器使用，对压缩机长周期安全运行起着关键作用。兰州石化公司8000Nm3/h制氮装置2号空压机自2012年9月投产，至2019年7月已运行7年，空压机中冷器出现两次管束胀口泄漏故障，对长周期运行造成影响。通过分析影响中冷器运行的主要因素，明确换热器胀口泄漏原因，并提出预防措施，为消除此类故障提供了参考。

1 设备概况

兰州石化公司8000Nm3/h制氮装置2号空压机是美国英格索兰公司生产的5CⅡ225MX3型离心式压缩机，中冷器采用列管式换热器，水走壳程，气走管程，管内有翅片。换热器管板是304不锈钢，管束为海军铜，换热管束与管板连接形式为胀接。

2 换热器故障概况

（1）2019年7月29日至7月31日，对2号机二级中冷器进行漏点消缺，2号机二级中冷器水压试验，发现中冷器管束泄漏95根，总管束共693根，泄漏率为13.7%。

（2）现场检查中冷器水压试验情况，出现渗漏的位置为胀口与管板连接的环形面；同时观测管束无点蚀、坑蚀等情况；未出现从管束风道向外渗漏循环水的情况。

（3）2号压缩机二级中冷器管束胀口泄漏全部在换热器压缩风入口（热端），胀口有红色水渍，为空气冷凝水析出后附着于中冷器管板表面；胀口表面整体清洁，无腐蚀产物。

（4）拆卸二级中冷器后，管束表面有微量黏泥；循环水进出口管束呈现出铜材质本体颜色；换热器在放置7h后，管束部分表面有碳酸钙沉积，并干燥开裂，属于软垢。

3 换热器腐蚀原因分析

3.1 循环水质管控分析

根据换热器现场检查情况，换热器管束表面有微量黏泥，且换热器泄漏原因之一是循环水质管控不合格，腐蚀造成泄漏。因此要首先对循环水质管控进行分析，排查泄漏原因。

3.1.1 循环水质合格率分析

通过对2016年5月至2019年6月，制氮装置循环水水质化验分析结果统计，循环水六项指标合格率均达到95%以上，达到水质管理规定指标。对2017年10月至2019年6月制氮装置循环水超标数据进行统计分析，结果如下。

（1）正磷分析总数1843次，超标34次，占比1.84%，主要原因是缓蚀阻垢剂投加数量不准确，影响了药剂浓度。其中超指标下限8次，超指标上限26次，正磷控制指标范围为3.0～7.0mg/L，累计运行平均值为5.39mg/L，在指标范围内。

（2）钙硬分析总数304次，超标4次，占比1.03%，超标数据均为超控制指标上限。钙硬超标主要原因为装置提高浓缩倍数及减少补水量，对排水进行了控制，导致钙硬超指标上限。钙硬控制指标范围为≤1100mg/L，运行平均值为815mg/L。

（3）总铁分析总数88次，超标1次，占比1.14%。结合碳钢挂片腐蚀测试结果，1次总铁超标不会对换热器碳钢材质产生腐蚀影响。总铁控制指标范围为≤1.0mg/L，运行平均值为0.2908mg/L。

（4）循环水浊度分析总数1843次，超标5次，占比0.27%。从2号机换热器拆检情况查看，换热管束表面有少量碳酸钙沉积，经水冲洗后可脱落（软垢）；软垢脱落后换热器管束和管板表面光滑，无点蚀等垢下腐蚀情况。

（5）循环pH值分析总数1843次，超标4次，占比0.22%。由数据统计看，最后一次超标情况发生在2019年2月，且为超指标上限。由于pH值超标不是连续发生，且与换热器泄漏时间间隔5个月，因此不会直接造成换热器腐蚀泄漏。

3.1.2 氯离子含量分析

由于氯离子对不锈钢及铜产生腐蚀，对2017年10月至2019年6月循环水中氯离子分析数据进行统计。GB/T 50050-2017《工业循环冷却水处理设计规范》中对循环水走壳程的换热器，规定水中氯离子控制指标范围为≤700mg/L，制氮装置循环水单元运行氯离子平均值为228mg/L，最大值361mg/L，最小值68.73mg/L，该数据在指标范围内。

3.1.3 循环水腐蚀监测挂片分析

制氮装置循环水单元内悬挂碳钢、黄铜、紫铜、不锈钢试片，每月机动处水质中心进行分析，腐蚀速率达标。

中冷器管束胀口泄漏全部在换热器压缩风入口（热端），压缩风出口（冷端）未出现泄漏。换热器逆流换热，热端是循环水出口，水温在34-36℃之间；冷端是循环水入口，水温在26-28℃之间，循环水温差在8℃以内。在同一种水质工作条件下，两面管板胀口泄漏情况完全不同，因此循环水质不是造成胀口泄漏的直接原因。

3.2 换热器缝隙腐蚀分析

通过2号机中冷器现场检查情况分析，并查阅换热器制造标准和换热器腐蚀专业文献，判断管板材质和胀接工艺是造成2号机中冷器缝隙腐蚀泄漏的主要原因。缝隙腐蚀是两个连接物之间的缝隙处发生的腐蚀，缝隙内外的金属表面都发生以氧还原作为阴极反应的腐蚀过程，缝隙外大面积进行的氧还原阴极反应，则促进缝隙内金属阳极溶解。缝隙内金属溶解产生过剩的金属阳离子，又使缝隙外的氯离子迁入缝隙内以保持电平衡，随之而发生的金属离子水解，使缝隙内酸度增高，又加速了金属的阳极溶解。

（1）2号机换热器芯胀口泄漏集中在压缩空气进气侧（热端），热端管束要承受0.35MPa的压力，会对管束胀接部位产生推力；热端空气温度在100℃左右，在高温和压力条件下，胀口缝隙会产生变化。在同一个换热器空气出口侧（冷端），由于工作温度在30-40℃，且胀接面不承受压力，因此未发生泄漏。

（2）据《中国腐蚀与防护学报》刊载的相关论文，提出缝隙腐蚀影响条件包括缝隙的几何尺寸，缝隙在0.1-0.15mm时，缝隙腐蚀敏感程度最高，腐蚀程度最严重。从换热器现场查看，换热器管束和管板胀口缝隙尺寸较小，会产生缝隙腐蚀。同时，在GB/T 151-2014《热交换器》标准中规定，对管径大于16mm的换热管应开槽，开槽深度0.5mm。目前2号机使用的换热器芯换热管直径20mm，大于国标要求的16mm，但未发现管板胀口开槽。开槽后的胀口能有效提高管束抗拖拉强度，而且提高了紧密性，减小缝隙几何尺寸，有利于降低缝隙腐蚀几率。

（3）合金成分影响缝隙腐蚀。不锈钢中的Cr、Ni、Mo的含量对缝隙腐蚀敏感影响较大，随着Cr、Mo的含量在一定范围增加，不锈钢的抗腐蚀能力增强。2号机换热器芯管板材质为304不锈钢，而304与316L最大的区别就是316L在304的基础上又加入了Mo，同时碳含量更低。因此304不锈钢材质换热器芯存在缝隙腐蚀的可能。

3.3 换热器管束胀口连接工艺分析

换热器管束与管板的连接是换热器生产中最主要的工序之一，也是可能造成胀口泄漏的因素之一。连接的方法基本上分为胀接、焊接和胀焊结合三种，由于胀接法能承受较高的压力，特别适用于材料可焊性差及制造厂的焊接工作量过大的情况。随着技术的不断发展，现已出现滚柱胀管、爆炸胀管及液压、液袋和橡胶胀管等新工艺。通过对换热器管束胀口检查，确认采用机械胀接工艺。

通过查阅相关技术资料，比对胀接方法的优缺点，发现机械胀接能够承受一定的轴向力、热冲击和反复热循环，在设备制造中应用普遍；但是机械胀管存在明显缺点，各管子间的胀度不一，连接强度和紧密度不均；胀管接口的内表面产生硬化现象；管子与管板材料胀接的相容性有

一定限制。同时，在对于使用条件苛刻的场合，如承受动载荷和耐腐蚀的换热器则应采用胀接与焊接相结合的连接形式。由此可见，换热器管束采用机械胀接工艺也是造成泄漏的原因之一。