列管式冷卻器是石化行業(yè)廣泛使用的熱交換設(shè)備,其質(zhì)量的好壞直接影響到石油化工企業(yè)的安全和經(jīng)濟(jì)效益。目前,由于各種原因產(chǎn)生的冷卻器泄漏,造成了物料的浪費(fèi)和環(huán)境的污染,影響著生產(chǎn)裝置的正常運(yùn)行和工廠(chǎng)的經(jīng)濟(jì)效益,已成為生產(chǎn)中不可忽視的問(wèn)題。了解冷卻器可能產(chǎn)生泄漏的部位和產(chǎn)生泄漏的普遍原因,并從設(shè)計(jì)、制造、使用三個(gè)環(huán)節(jié)著手加以控制,就能大大降低冷卻器的泄漏率。筆者對(duì)大量不同種類(lèi)冷卻器的泄漏發(fā)生部位及產(chǎn)生泄漏的原因進(jìn)行分析,并提出相應(yīng)的對(duì)策,為冷卻器的設(shè)計(jì)、制造和使用提供參考。1冷卻器主要泄漏機(jī)理1.1溫差應(yīng)力及熱疲勞　　
　　冷卻器在石化行業(yè)中應(yīng)用非常廣泛,蒸汽發(fā)生器、再沸器、鍋爐給水預(yù)熱器等都是典型的換熱設(shè)備。大多數(shù)冷卻器在運(yùn)行過(guò)程中,管殼程流體之間都存在著一定的溫差,多管程的冷卻器各程換熱管之間也存在著較大的溫差,溫差導(dǎo)致管板兩側(cè)和換熱管之間產(chǎn)生溫差應(yīng)力。當(dāng)溫差應(yīng)力達(dá)到一定數(shù)值時(shí),金屬便會(huì)產(chǎn)生塑性變形和蠕變。如果冷卻器的操作溫度周期性地變化,或者操作工況為反復(fù)加壓、升溫和卸壓、降溫的過(guò)程,那么熱應(yīng)力反復(fù)變化會(huì)使設(shè)備產(chǎn)生熱疲勞。調(diào)查發(fā)現(xiàn),很多煉油廠(chǎng)的蒸汽發(fā)生器都是由于這種原因而泄漏失效的。1.2管束振動(dòng)　　
　　介質(zhì)垂直于管束橫向流動(dòng)是流體誘發(fā)振動(dòng)的主要根源,如果流入殼程的是氣體,在與流動(dòng)方向及管子軸線(xiàn)都垂直的方向上將形成聲學(xué)駐波。當(dāng)聲學(xué)駐波的頻率與卡曼旋渦頻率和紊流抖振主頻率一致時(shí),還會(huì)激發(fā)產(chǎn)生聲學(xué)駐波振動(dòng)。在操作過(guò)程中,管束振動(dòng)將引起管板與管子之間的熔敷金屬中存在的氣孔和其他缺陷擴(kuò)大或擴(kuò)展,發(fā)展到一定程度時(shí)這些缺陷就會(huì)被擊穿或?qū)е缕�勞開(kāi)裂。振動(dòng)與冷卻器管子的固有頻率有關(guān),而固有頻率與管束的結(jié)構(gòu)、尺寸有關(guān),因此冷卻器本身的設(shè)計(jì)缺陷是導(dǎo)致管束振動(dòng)的原因。本次調(diào)查分析的多臺(tái)再沸器[2,3],其殼程走中、高壓蒸汽,管程走液體,都是在運(yùn)行不久后就產(chǎn)生泄漏,修復(fù)后又規(guī)律性地隔三個(gè)月就漏。起初考慮了溫差應(yīng)力,但重新設(shè)計(jì)制造的再沸器加了膨脹節(jié)后,情況仍未改善。而揚(yáng)子石化芳烴廠(chǎng)和上海石化芳烴廠(chǎng)的同類(lèi)裝置中的再沸器也是采取管程走中、高壓蒸汽,殼程走液體,但投產(chǎn)多年來(lái)沒(méi)有出現(xiàn)過(guò)泄漏,這說(shuō)明中、高壓蒸汽壓力高、流速大,設(shè)計(jì)方面的缺陷引起的誘導(dǎo)振動(dòng)才是冷卻器泄漏的主要原因。1.3制造過(guò)程中的缺陷　　
　　焊接質(zhì)量是冷卻器制造上的關(guān)鍵。冷卻器管子與管板焊接時(shí)[4],在焊縫兩側(cè)形成熱影響區(qū),這是焊接接頭的薄弱部位,容易產(chǎn)生殘余變形和殘余應(yīng)力,即容易形成應(yīng)力腐蝕的基本條件。若遇到腐蝕環(huán)境的影響,例如在H2S、OH-等環(huán)境中(奧氏體不銹鋼在Cl-、OH-等環(huán)境中),就會(huì)發(fā)生應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂,造成換熱管接頭處泄漏。管子與管板之間的縫隙處存在不流動(dòng)液體,與縫隙外液體形成濃差電池,引起縫隙腐蝕,也會(huì)造成換熱管接頭處泄漏。管子與管板焊接結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是具有排列緊密的小圓形單道焊縫,管板較厚,如果焊接工藝不當(dāng),就易造成焊縫根部夾渣、熔合不良、裂紋、氣孔等焊接缺陷。在運(yùn)行過(guò)程中這些缺陷受到交變應(yīng)力的影響便會(huì)擴(kuò)展,使泄漏通道擴(kuò)大,導(dǎo)致泄漏。這已成為冷卻器失效的普遍原因。
　　采用強(qiáng)度脹接的冷卻器在脹接時(shí),管板與換熱管應(yīng)有適當(dāng)?shù)挠捕炔?否則管子回彈大于管板,造成脹接不緊。另外,當(dāng)管子外徑與管板管孔之間的間隙較大時(shí),要達(dá)到脹緊目的,管子就必須有較大的變形量。管子在脹接變形量增加的同時(shí),其硬度也隨之增加,從而使換熱管的硬度更加大于管板硬度,導(dǎo)致脹接更加不緊]。1.4操作因素　　
　　冷卻器在運(yùn)行過(guò)程中,由于生產(chǎn)工藝本身的特點(diǎn)或者由于工藝操作不規(guī)范導(dǎo)致介質(zhì)壓力不穩(wěn),溫度驟變引起沖擊熱應(yīng)力。這種操作壓力和溫度的瞬間波動(dòng)將導(dǎo)致管板法蘭密封面上墊片的壓緊力發(fā)生變化,反復(fù)循環(huán),致使法蘭螺栓松動(dòng),密封失效。熱沖擊是以極大的速度和沖擊形式施加的,造成比熱疲勞更大的溫度梯度,可以使材料失去延性,發(fā)生脆斷[6]。2冷卻器發(fā)生泄漏的位置及原因分析　　
　　綜上所述,導(dǎo)致冷卻器發(fā)生泄漏的原因可能在設(shè)計(jì)、制造和使用三個(gè)環(huán)節(jié)中的某個(gè)環(huán)節(jié),也可能是二個(gè)或三個(gè)環(huán)節(jié)共同作用的結(jié)果。通過(guò)對(duì)大量冷卻器的分析,現(xiàn)將泄漏產(chǎn)生的位置及其產(chǎn)生的原因歸納如表1所示。
3結(jié)論　　
　　針對(duì)不同位置由于不同原因造成的泄漏,應(yīng)采用不同的辦法加以解決。設(shè)計(jì)因素引起的失效,往往需要重新進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和改造;制造過(guò)程產(chǎn)生的焊接缺陷應(yīng)進(jìn)行修復(fù)改善;操作不當(dāng)則比較容易改進(jìn)。
　　3.1設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意的問(wèn)題
　　(1)介質(zhì)垂直于管束橫向流動(dòng)是流體誘發(fā)振動(dòng)的主要根源,而影響橫流速度的關(guān)鍵因素是殼程進(jìn)口端第一塊折流板與管板之間的距離和折流板間距。在流體壓力降允許的條件下,縮短折流板間距,增大換熱管直徑,可以提高管束的固有頻率,減小橫流速度,達(dá)到防止管束振動(dòng)的目的。用折流桿代替折流板支撐,可以徹底解決流體誘導(dǎo)振動(dòng)問(wèn)題。
　　(2)選材時(shí)除了考慮壓力、溫度、介質(zhì)因素外,對(duì)于有溫差的場(chǎng)合,設(shè)備制造用材還應(yīng)注意選擇線(xiàn)膨脹系數(shù)小、熱導(dǎo)率大、塑性好的材料。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)采用溫度補(bǔ)償器,盡量消除和減少應(yīng)力集中部位,使截面圓滑過(guò)渡,同時(shí)采取良好的保溫措施,以減小內(nèi)外壁溫差,降低熱應(yīng)力,避免由于熱應(yīng)力過(guò)大而使容器產(chǎn)生塑性變形和蠕變。
　　(3)合理選擇折流板間距,折流板間距過(guò)大,易產(chǎn)生誘導(dǎo)振動(dòng),而折流板間距過(guò)小,會(huì)使換熱管剛性過(guò)大,變形協(xié)調(diào)能力低,產(chǎn)生溫差應(yīng)力。因此可以通過(guò)設(shè)計(jì)計(jì)算,在保證不發(fā)生振動(dòng)的前提下選擇較大的間距。3.2制造時(shí)應(yīng)注意的問(wèn)題　　
　　(1)改善焊接工藝,嚴(yán)格清理焊接部位,保證焊接質(zhì)量。加強(qiáng)焊縫強(qiáng)度,加長(zhǎng)換熱管伸出管板的伸長(zhǎng)量,以增加焊腳高度,提高換熱管承受拉脫力的能力。采用低Mn和低Si焊絲小電流多道施焊,以減少焊接缺陷產(chǎn)生的幾率。避免產(chǎn)生殘余應(yīng)力和應(yīng)力集中。
　　　(2)采用強(qiáng)度焊加貼脹。貼脹可消除管子與管板之間間隙,使振動(dòng)產(chǎn)生的應(yīng)力不直接作用在焊縫上,避免管束振動(dòng)對(duì)管板與管子之間熔敷金屬中存在的缺陷的影響,同時(shí)又能防止間隙腐蝕,大大增加連接處的抗拉脫強(qiáng)度。此外,強(qiáng)度焊加貼脹還具有雙重保險(xiǎn)的作用,如果焊縫被擊穿,有貼脹做后盾,不會(huì)馬上泄漏。　　
　　(3)嚴(yán)格控制螺栓預(yù)緊力,給墊片以足夠的預(yù)緊比壓力和壓縮量。避免螺栓預(yù)緊力不夠,或運(yùn)輸、操作中振動(dòng)引起的螺栓松動(dòng),以確保管板法蘭密封面的密封質(zhì)量。3.3操作中應(yīng)注意的問(wèn)題　　
　　工藝操作要平穩(wěn),避免壓力、溫度突然升高和降低,避免管子產(chǎn)生強(qiáng)烈振動(dòng)。
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