張勇青，魏占彪，鄧 婷，王 雨

(1.海洋石油工程股份有限公司，天津 300451;2.中國石油青海油田公司，青?；ㄍ翜?736202)

海上平臺作為重要的深海開采裝備，其中央空調是保證平臺正常生產和人員生活的重要設施，中央空調的失效與否直接影響著平臺內部機采設備的正常運行以及實際作業(yè)人員的生活舒適程度。

1 問題的提出

某海上平臺A生產人員巡檢中央空調時，發(fā)現(xiàn)其冷水機組存在泄漏現(xiàn)象，表現(xiàn)為冷水機組內氟利昂壓力下降迅速?，F(xiàn)場初步判斷是冷水機組內氟利昂通過冷凝器換熱管泄漏流失。

該冷凝器是管殼式換熱器，換熱管通過脹接的方式固定在管板上，管程介質為海水，殼程介質為制冷劑氟利昂。當現(xiàn)場打開冷凝器端蓋時，發(fā)現(xiàn)冷凝器殼程已經(jīng)滲入海水，經(jīng)過氮氣打壓檢漏，發(fā)現(xiàn)冷凝器內部分銅管發(fā)生穿孔。

由于該冷凝器換熱管穿孔，海水進入機組氟利昂系統(tǒng)，導致了冷水機組內壓縮機、膨脹閥、電磁閥、干燥過濾器以及部分傳感器和閥件發(fā)生不同程度損壞，機組無法運轉。

2 失效原因分析

2.1 換熱管材質分析

該冷凝器換熱管采用B30白銅制作，B30白銅是一種可靠性很高的材料，在換熱管制作過程中，如果B30白銅的成分不符合標準，最容易出現(xiàn)腐蝕穿孔。

為檢測冷凝器換熱管材質組成是否符合國家標準，第三方實驗室采用掃描電鏡及能譜儀對損壞樣品進行了能譜分析，分析結果表明，樣品所含合金元素及含量符合GB/T 5231—2001中B30白銅要求，如表1所示。

表1 樣品所含合金元素質量分數(shù)能譜分析結果 %

2.2 換熱管壁厚分析

該冷凝器換熱管名義厚度為2 mm，為校核該換熱管內壓及外壓是否滿足設計要求，換熱管廠家依據(jù)GB151—2014標準采用過程強度計算sw6軟件進行了校核計算，校核結果表明，換熱管壁厚滿足設計要求過程設備強度計算。

2.3 高速海水沖刷分析

鐵白銅抗高速海水沖擊腐蝕的能力較差。如果某些換熱管內海水流速超過某一臨界值時，銅的保護膜遭到破壞，高速海水使銅的腐蝕速率急劇升高，換熱管的破壞概率迅速增加。

1)現(xiàn)場調研。根據(jù)現(xiàn)場調研實測數(shù)據(jù):該平臺冷水機組 (雙系統(tǒng)均100%滿負荷)海水實際進、出口溫差約為1℃，計算流量為660 m3/h，遠超設計流量 (165 m3/h)，計算過程如下:

式中:Qm為冷卻水流量，m3/h;Q為機組冷凝負荷，kW;Cp為水的比熱容，J/(kg·℃);Δt為冷卻水進出水溫差，℃。

該海水冷凝器內換熱管數(shù)量為152根，單根換熱管規(guī)格為:D 15.88 ×2.0 mm; 內徑r為5.94 mm。

換熱管截面積:S=π×r2=3.14×5.942×152×10－6=0.017 m2。

管內海水流速:v=Qm/S=660/0.017/3 600=10.78 m/s(船舶設計手冊推薦管內流速在1.5 m/s～2.5 m/s)。

2)原因分析。該平臺中央空調制冷劑冷卻系統(tǒng)采用開式海水冷卻，首先海水通過海水提升泵加壓后，流經(jīng)海水濾器過濾海水中自帶的懸浮雜質等顆粒物，過濾后的海水通過材質為玻璃鋼的并聯(lián)管線，最終流向中央空調冷水機組的管殼式冷凝器中，在冷凝器中低溫海水與高溫制冷劑氣體進行熱交換，熱交換后的高溫海水直接排海 (高溫制冷劑氣體冷凝變?yōu)槌匾后w進入后續(xù)制冷循環(huán))，見圖1。

為找出海水流量超設計的原因，經(jīng)過分析整個海水系統(tǒng)后發(fā)現(xiàn)，海水濾器各下游用戶均是并聯(lián)布置。并聯(lián)管路具有如下特點。

1)主管的質量流量等于各分支管路質量流量之和。

2)各分支管路的阻力相等。各分支管路的阻力由管道摩擦系數(shù)、管道長度和直徑、流體流速決定。該平臺中央空調冷水機組布置與其他常規(guī)項目有區(qū)別，冷水機組與海水提升泵均位于18.5 m甲板，海水經(jīng)過冷水機組換熱后直接匯入排海管線。

按照海水系統(tǒng)的工藝方案，并聯(lián)管路中各設備進口海水壓力均為650 kPaG，出口直接排海，所以海水余壓需要全部消耗在設備、管線上部閥門和管線彎頭等附件上。

圖1 中央空調海水冷卻流程圖

18.5 m甲板是整個平臺的最下層甲板，且冷水機組與海水提升泵均布置于該層，相對海水系統(tǒng)其他設備用戶，中央空調的海水入口管線和出口管線長度均相對較短，管路彎頭等附件較少。因廠家反饋中央空調內部冷凝器流動阻力約為80 kPa，故絕大部分海水余壓需要消耗在中央空調入口青銅截止閥上，否則該空調海水分支將在運行過程中自行分配得到更多的流量，以便增大該分支流動阻力保證各并聯(lián)管路的阻力相等。

經(jīng)過與該平臺生產人員確認，中央空調進出口青銅截止閥從未進行過調節(jié)，日常運行過程中均是全開狀態(tài)，閥門位置詳見圖2。

圖2 中央空調冷水機組總橇圖

根據(jù)上述分析，中央空調冷水機組海水流量存在超設計的可能性。

3)失效原因驗證。為驗證上述原因，經(jīng)過查找發(fā)現(xiàn)海上平臺B與海上平臺A中央空調各項配置均完全一致。

但A平臺中央空調冷凝器頻繁出現(xiàn)泄漏，但B平臺中央空調自交付使用至今，從未出現(xiàn)過泄漏。兩座平臺的中央空調配置對比如表2。

表2 不同平臺空調配置對比圖

經(jīng)過與B平臺生產人員確認，B平臺生產人員維護過程中經(jīng)常手動調節(jié)中央空調入口青銅截止閥，以便降低截止閥后中央空調入口海水壓力。

根據(jù)上述理論分析以及類似平臺對比，判斷中央空調海水冷凝器腐蝕穿孔主要是冷卻海水流量超過設計值，導致?lián)Q熱管內海水流速超過最大允許流速。高速海水沖刷導致銅管表面的氧化層遭到破壞，由于海水中含氧量不足或流速過高、管內污垢積累等因素導致管壁氧化鈍化層無法自行恢復，使換熱管內局部發(fā)生點蝕直到穿孔。

3 解決措施探討

3.1 換熱管維修措施

為保證海水冷凝器的正常使用，現(xiàn)場首先使用內窺鏡初步標記穿孔的換熱管，然后對穿孔換熱管進行氮氣保壓測試 (1.5 MPa)，最終確定共有82根換熱管存在穿孔問題。

針對穿孔的換熱管，現(xiàn)場將其更換為相同規(guī)格材質的換熱管脹接在原管板上，同時更換后的管殼程換熱器管程采用鹽水 (與海水鹽度相同)浸泡48 h，然后對管程和殼程進行保壓測試 (管程試驗壓力1.38 MPa;殼程試驗壓力2.76 MPa)，檢測合格后的換熱器回裝至中央空調內部。

3.2 海水流量控制措施

為從源頭解決海水冷凝器換熱管穿孔問題，需對中央空調海水入口分支進行改造。針對中央空調已經(jīng)投入生產，為減少現(xiàn)場改造工作量，方案確定為在中央空調海水進口管線增加節(jié)流孔板和隔離球閥以便起到控制海水流量的作用，節(jié)流孔板材質為蒙乃爾，節(jié)流孔板安裝位置需保證與中央空調機組之間的直管長度不小于管線直徑的5倍。

4 結束語

本文針對某海上平臺存在的中央空調冷凝器穿孔問題，探討了冷凝器換熱管穿孔的原因，并通過對相關解決措施的探討，為今后類似海上平臺的暖通空調系統(tǒng)設計提供了一定的借鑒指導作用。