梅 軍

（中國石油廣西石化公司生產(chǎn)一部，廣西 欽州 535000）

1 換熱器泄漏的情況

本石腦油加氫裝置以直餾石腦油、加氫石腦油和催化中汽油為原料，經(jīng)加氫反應(yīng)后生成精制石腦油經(jīng)下游輕烴回收單元分離后作為連續(xù)重整的原料。裝置投入運行近半年后發(fā)現(xiàn)精制重石腦油硫含量超標(biāo)（指標(biāo)要求≯0.5×10-6）。圖1是重石腦油硫含量分析數(shù)據(jù)。此后數(shù)月，重石腦油硫含量一直超指標(biāo)。

圖1 重石腦油硫含量分析數(shù)據(jù)

經(jīng)過調(diào)整反應(yīng)溫度、原料注硫量、原料油比例等操作條件后，石腦油硫含量指標(biāo)仍未好轉(zhuǎn)。考慮到自開工以來，裝置混合進(jìn)料中本身的硫含量范圍就在50×10-6~100×10-6之間，初步懷疑為混合原料/反應(yīng)產(chǎn)物換熱器內(nèi)漏。在對E101A/G管程入口（即反應(yīng)器出口）、冷高分離罐出口、石腦油分離塔底采樣分析后，確定是混合原料/反應(yīng)產(chǎn)物換熱器E101A/G中的一臺或多臺內(nèi)漏。因為殼程的混合原料壓力高于管程的反應(yīng)產(chǎn)物壓力，內(nèi)漏只可能由殼程往管程漏，而殼程的混合原料中硫含量較高，所以管程的反應(yīng)產(chǎn)物串入了含硫量比較高的石腦油，最終導(dǎo)致下游輕烴回收裝置的重石腦油含硫量超標(biāo)。

E101共有7臺，換熱流程見圖2。

圖2 混合原料/反應(yīng)產(chǎn)物換熱流程

該換熱器為U型管換熱器，折流板形式為雙弓形，型號為BIU1500-5.4/6.6-905-6.65/19-2Ⅰ。該組換熱器的材質(zhì)及相關(guān)參數(shù)見表1、表2。

表1 換熱器材質(zhì)

表2 換熱器操作參數(shù)

2 換熱器鑒定情況

由于E101中7臺換熱器均沒有副線，要檢修換熱器就必須停工，故裝置于2011年12月份進(jìn)行停工檢修該組換熱器。在拆開7臺換熱器管箱后發(fā)現(xiàn)，管板表面比較干凈，管束沒有堵塞結(jié)垢的現(xiàn)象。在對換熱器殼程打壓至55kg后發(fā)現(xiàn)，換熱器管束有不同程度的泄漏。E101A有9根管束內(nèi)漏，E101G有10根管束內(nèi)漏，E101C有1根管束內(nèi)漏。管頭與管板的焊接處未發(fā)現(xiàn)腐蝕和裂紋。圖3是E101A打壓時管束泄漏情況。在抽出E101A的芯子后發(fā)現(xiàn)，少數(shù)管束出現(xiàn)了斷裂的現(xiàn)象。圖4是抽出后的E101A芯子。

圖3 E101A打壓時管束泄漏情況

圖4 抽出后的E101A芯子

圖5 是E101G打壓后管束堵漏的情況，合計有10根管束內(nèi)漏。抽出E101G的管束，沒有發(fā)現(xiàn)管束斷裂。

圖5 管束打壓堵漏的情況

3 管束斷裂原因分析

分析表2的換熱器操作參數(shù)可以看出，來自進(jìn)料泵的石腦油和氫氣混合后以較低的溫度，首先進(jìn)入E101G殼程，在換熱器內(nèi)被加熱。原料石腦油在換熱終端E101A的殼程入口達(dá)到氣化點，此時進(jìn)入E101A殼程的介質(zhì)全部為氣相，壓力約為5.5MPa，介質(zhì)流速比較高。介質(zhì)進(jìn)入殼體后由于防沖擋板的作用改變了流向，使殼體入口管束周圍成為高速流區(qū)，很容易激起附近管子的振動。

另外，通過觀察抽出的換熱器芯子發(fā)現(xiàn)，第1塊折流板與管板之間的距離較大，實測值為1080mm。第2塊折流板與管板之間的距離更是達(dá)到了1550mm。由于此換熱器的折流板形式為雙弓形，這就使得通過第1塊折流板缺口部位的管子的跨距，明顯地要比通過中央部位的管子的跨距來得大。這種大跨距的管子撓性比較大，管子的固有頻率低，振動的傾向更大。以上2個因素解釋了E101A管束斷裂為什么會主要發(fā)生在靠近殼體進(jìn)口區(qū)域的管子及通過第一塊折流板缺口部位管子上。

進(jìn)一步觀察E101A管束斷裂的位置，我們發(fā)現(xiàn)斷裂主要發(fā)生在如下兩個部位：（1）管束穿過折流板的管孔處（圖6）；（2）管束與管板的連接處（圖7）。

圖6 管束穿過折流板處斷裂圖

圖7 管束與管板的連接處斷裂圖

換熱器設(shè)置折流板的目的是使殼程流體橫向流過管束來改善傳熱。在規(guī)定的壓力降范圍內(nèi)，最大程度地增大殼程流速，不僅強(qiáng)化了傳熱，還可減少管子表面上的污垢。但是由于E101殼程流體流速較大，換熱器尺寸（E101管束直徑1.5m）也大，這就增加了換熱管的撓性，換熱管由于殼程流體（混合原料）的沖擊而誘發(fā)了振動。

換熱器振動機(jī)理：當(dāng)流體在換熱器管束上橫向流動時，由于受流體力的作用，管子將激起振蕩運動。管殼式換熱器殼程中的流體流路十分復(fù)雜，有管束上的橫向流、軸向流、旁通流和泄漏流等多股流路。管束兩端的進(jìn)出口處還存在一定的滯流區(qū)。各流路中流體流速的大小和方向在不斷變化，呈不規(guī)則的非穩(wěn)定流動狀態(tài)，整個管束處于不均勻力場中，因而管束極易因流體流動的各種激發(fā)力而誘發(fā)振動。如果各種振動的周期及其相位耦合，相關(guān)波疊加的結(jié)果可能產(chǎn)生大振幅的振動，引起管子與折流板的沖擊。管子與管子的碰撞和磨壓，致使管子變形、疲勞、磨損乃至斷裂。

換熱器流體誘發(fā)的振動有5種破壞形式：

（1）碰撞損傷。如果傳熱管振動的振幅比較大，就會導(dǎo)致管子之間，外圍的管子與殼壁之間不斷碰撞，久而久之，管壁會變薄，最終破裂。這就是碰撞造成的破壞。

（2）折流板切割。為了便于換熱管在組裝時容易穿過所有折流板上的管孔，管孔一般比換熱管的外徑大0.4~0.7mm。由于存在間隙，管子在振動時不斷撞擊折流板管孔，猶如遭到折流板的切割。特別是在折流板很薄且其材料較管材更硬時，切割作用更為明顯，因而導(dǎo)致管壁變薄或出現(xiàn)開口。

（3）冶金失效。振動使換熱管產(chǎn)生交變應(yīng)力，導(dǎo)致管子表層的氧化層脫落，管子表面留下坑點。在坑點處引起應(yīng)力集中，導(dǎo)致管子失效，縮短了管子的壽命。

（4）管與管板連接處泄漏。用脹管法固定到管板上的管子，在振動時呈彎曲變形。與管板接合處的管子，受力是最大的。管子有可能從脹接處松開或從管孔中脫出造成泄漏甚至產(chǎn)生斷裂。此外，尖銳的管孔邊緣對管壁也有切割作用。類似的破壞形式也可能發(fā)生在管子與管板焊接的連接處。

（5）應(yīng)力疲勞失效。如果管子材料本身存在缺陷，或者由于腐蝕和磨損產(chǎn)生了裂紋等缺陷，在振動引起的交變應(yīng)力作用下，位于主應(yīng)力方向上的裂紋就會迅速擴(kuò)展，最終導(dǎo)致管子疲勞失效。

觀察 E101A的芯子，發(fā)現(xiàn)該換熱器芯子管束破壞形式符合換熱器流體誘發(fā)的振動中的2種破壞形式，即折流板切割和管與管板連接處泄漏。

4 舊換熱器芯子修復(fù)

裝置在停工之前按E101A/B標(biāo)準(zhǔn)，定做了2臺304材質(zhì)的換熱器芯子。鑒于E101A芯子的斷裂情況，裝置決定先更換新的芯子。待開工后，再修復(fù)舊的芯子。經(jīng)與設(shè)計院討論，管束修復(fù)方案如下：在靠近管板側(cè)的第1塊折流板與管板之間截面上，增設(shè)2塊弓形折流板。新增設(shè)的折流板與管板之間的距離為610mm，折流板間距仍為470mm。增設(shè)折流板的目的是加固殼體進(jìn)口區(qū)域的管子，減小該區(qū)域管束的流體誘發(fā)振動。另外在E101A殼程進(jìn)口處的換熱器芯子上增設(shè)了導(dǎo)流筒。圖8是導(dǎo)流筒的結(jié)構(gòu)圖。

圖8 導(dǎo)流筒的結(jié)構(gòu)圖

設(shè)置導(dǎo)流筒不僅可以防止入口處流體對管子的沖擊，而且可以使殼程流體分布均勻，并且使殼程進(jìn)口段管束的傳熱面得到充分利用，減少傳熱死區(qū)，以及防止進(jìn)口段可能會出現(xiàn)的流體振動。

5 結(jié)語

隨著管殼式換熱器趨于大型化，并且，由于換熱器尺寸和管束支撐間距的增大，以及流體流速提高、運行工況不穩(wěn)定等因素影響，經(jīng)常引起換熱器管束發(fā)生流體誘導(dǎo)振動，造成換熱器局部失效。在生產(chǎn)實踐中可以采取以下具體的抗振方法：

（1）制定合理的開停工程序，加強(qiáng)在線監(jiān)測，嚴(yán)格控制運行條件，在流體入口前設(shè)置導(dǎo)流筒，既可以避免流體直接沖擊管束，降低流速，又可以減小流體脈沖。

（2）降低殼程流體流速可以降低流體誘導(dǎo)振動的頻率，是防止管束振動最直接的方法，但同時傳熱效率也會隨之降低。

（3）適當(dāng)減小折流板間距，增大管壁厚度和折流板厚度，折流板上的管孔與管子采用緊密配合，間隙不要過大，可以優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計，增加管束固有頻率，使流體誘導(dǎo)振動頻率遠(yuǎn)離管子固有頻率。

[1] 曹向云，潘恒.管殼式換熱器的振動與防止[J].貴州化工，1995（3）：46-50.

[2] 戴波，柳紅.管殼式換熱器聲振動探析[J].當(dāng)代化工，2001，30（1）：51-52.