宋 力，謝 強(qiáng)，王 超

(中海油能源發(fā)展采油服務(wù)公司 天津 300452)

1 優(yōu)化改造背景

1.1 主機(jī)冷卻水系統(tǒng)簡介

海洋石油161平臺(tái)H16V190ZLT1-2型號(hào)主機(jī)采用雙溫循環(huán)冷卻系統(tǒng)，分別稱為“高溫冷卻循環(huán)系統(tǒng)”和“低溫冷卻循環(huán)系統(tǒng)”，如圖1所示。

圖1 主機(jī)冷卻系統(tǒng) Fig.1 Cooling system of main engine

高溫循環(huán)冷卻系統(tǒng)主要由高溫水泵、前排散熱器(高溫水冷卻器)等組成。高溫水泵將前排散熱器內(nèi)的冷卻水壓送到機(jī)體右側(cè)水道內(nèi)，然后通過飛輪端中間串水管送入機(jī)體左側(cè)水道。進(jìn)入機(jī)體的冷卻水流經(jīng)氣缸冷卻水套后由機(jī)體上部串水孔統(tǒng)進(jìn)入氣缸蓋水腔，再由氣缸蓋上端面出水口進(jìn)入氣缸蓋回水管。2排回水管匯合后經(jīng)出水總管流回前排散熱器。循環(huán)出水溫度一般控制在75～85℃范圍內(nèi)。

低溫循環(huán)冷卻系統(tǒng)主要由低溫水泵、中冷器、機(jī)油冷卻器和后排散熱器(低溫水冷卻器)等組成。低 溫水泵將后排散熱器內(nèi)的冷卻水壓送至中冷器內(nèi)，再流經(jīng)機(jī)油冷卻器流回后排散熱器內(nèi)。循環(huán)水溫一般控制在45℃。

1.2 高、低溫水冷卻器

海洋石油161平臺(tái)燃?xì)庵鳈C(jī)高、低溫水冷卻器分別采用FJ-03、FJ-04型管殼式換熱器。冷卻器由圓管形殼體、端蓋、冷卻芯子組、防腐裝置及其他附件組成[1]。為便于泄放殼體內(nèi)的介質(zhì)，在殼體最低位焊有放泄螺塞，殼體最高位置設(shè)有放氣螺塞。為防止零件受冷卻水的腐蝕，在端蓋內(nèi)側(cè)位置設(shè)有防腐鋅棒(塊)裝置。

該型換熱器有節(jié)能、高效，傳熱系數(shù)高；改層流為湍流，換熱效率高，熱阻低；換熱速度快，耐高溫、高壓；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)緊湊，便于安裝；等等特點(diǎn)。冷卻器整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 原冷卻器設(shè)計(jì)圖紙 Fig.2 Design drawing of original cooler

高、低溫水冷卻器運(yùn)行使用要求如下：冷卻器熱交換性能降低或阻力增高時(shí)應(yīng)及時(shí)清洗；冷卻器熱交換溫度未達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)時(shí)應(yīng)及時(shí)檢查裝機(jī)進(jìn)出口管路裝配是否有誤；使用中發(fā)現(xiàn)冷卻管滲漏時(shí)應(yīng)及時(shí)停機(jī)換管或堵塞冷卻管兩口，其堵塞冷卻管根數(shù)不得超過總根數(shù)的5%；管板與冷卻管緊密處有滲漏現(xiàn)象時(shí)應(yīng)及時(shí)再次脹管至不滲漏為止；防腐裝置每90d檢查1次，發(fā)現(xiàn)有腐蝕情況應(yīng)及時(shí)用刮刀或金屬刷將鋅棒(塊)的腐蝕表層清理干凈，直至露出金屬光澤再裝上使用，若腐蝕顯著則應(yīng)更換；發(fā)現(xiàn)密封及墊片有變形、老化、破裂等現(xiàn)象應(yīng)及時(shí)更換。

2 現(xiàn)有問題分析

2.1 冷卻器端蓋腐蝕滲漏

原高、低溫水換熱器端蓋材質(zhì)為碳鋼，冷卻介質(zhì)為海水，被冷卻介質(zhì)為防凍液，海水壓力約0.4MPa。當(dāng)海水流過冷卻器管程后直接沖擊端蓋的內(nèi)表面，加上海生物對(duì)端蓋內(nèi)表面的腐蝕，導(dǎo)致冷卻器端蓋腐蝕穿孔。冷卻器金屬在表面形成的氧化膜被高流速的海水破壞并帶走，金屬材料不斷損失，最終導(dǎo)致管體破損，如圖3所示。

圖3 高、低溫水冷卻器端蓋腐蝕 Fig.3 Corrosion of end caps of high- and lowtemperature water coolers

2.2 換熱器芯子腐蝕滲漏

換熱器管程腐蝕如圖4所示，猜測(cè)其產(chǎn)生原因有以下幾點(diǎn)。

圖4 高、低溫水冷卻器芯子滲漏 Fig.4 Leakage of high- and low-temperature water cooler core

2.2.1 熱應(yīng)力過大

高低溫水冷卻器在使用時(shí)，由于冷、熱換熱介質(zhì)的溫度不同，殼體和芯子的溫度有所差異[2]。由于不同材質(zhì)的膨脹系數(shù)不同，于是這種溫差使殼體和芯子的膨脹不同，當(dāng)冷卻器在啟停過程中溫升率、溫降率超過設(shè)計(jì)的參數(shù)時(shí)，管子和殼體受到較大的應(yīng)力，可能導(dǎo)致管子扭曲變形、工藝連接位置的焊縫發(fā)生損壞，進(jìn)而引起冷卻器端部泄漏。根據(jù)平臺(tái)在換熱器啟、停后對(duì)換熱器溫升率進(jìn)行的測(cè)量，看其是否滿足換熱器設(shè)計(jì)使用范圍內(nèi)，因此，將其判定為非換熱器管程故障的主要原因。

2.2.2 沖刷侵蝕

冷卻器芯子長期受到流動(dòng)速度較高的防凍液的沖刷，導(dǎo)致金屬表面受到?jīng)_刷腐蝕，暴露在高速流動(dòng)的防凍液中的冷卻器芯子遭受到?jīng)_刷腐蝕的破壞，從而縮短了換熱器的使用壽命[3]。觀察冷卻器端蓋和芯子，能明顯看到有沖刷的痕跡，通過計(jì)算發(fā)現(xiàn)管程內(nèi)介質(zhì)流速能達(dá)到1.3m/s。因此，將沖刷侵蝕判斷為換熱器管程故障的主要原因。

2.2.3 管子振動(dòng)

冷卻器芯子內(nèi)防凍液的流量和流速超過設(shè)計(jì)值較多時(shí)具有一定彈性的管子在流動(dòng)介質(zhì)的擾動(dòng)力作用下會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，當(dāng)此頻率與芯子固有振動(dòng)頻率相近時(shí)將引起管束共振，管子與殼體的工藝連接處受到反復(fù)作用力可能導(dǎo)致管束疲勞損壞[2]。平臺(tái)通過換熱器運(yùn)行時(shí)進(jìn)行振動(dòng)測(cè)量，振動(dòng)值均在正常范圍內(nèi)，因此，振動(dòng)不是換熱器管程故障的主要原因。

2.2.4 冷卻液pH超過冷卻器使用范圍

燃?xì)庵鳈C(jī)高、低溫水換熱器的管材為銅，平臺(tái)在拆卸檢查管程銅管時(shí)觀測(cè)有腐蝕現(xiàn)象。pH為8.5～8.8時(shí)銅的腐蝕率最低。通過測(cè)量發(fā)現(xiàn)平臺(tái)主機(jī)冷卻液pH介于7.5～9之間，因此，判定pH不是換熱器管程故障的主要原因。

2.2.5 材質(zhì)、工藝不良

芯子的材質(zhì)不良、管子壁厚度不均、安裝工藝不良均會(huì)導(dǎo)致冷卻器有原始缺陷，冷卻器遇到異常工況時(shí)易引起芯子內(nèi)部的管程大量損壞；或在冷卻器加工過程中，如預(yù)熱、焊縫位置及尺寸不合適，都會(huì)造成管程與殼體連接部位的損傷[4]。高、低溫水換熱器均由正規(guī)廠家提供，產(chǎn)品出廠也都有合格證，實(shí)物觀測(cè)也未發(fā)現(xiàn)明顯的工藝不良現(xiàn)象，因此，判定材質(zhì)、工藝不良不是換熱器管程故障的主要原因。

3 優(yōu)化改造方案

針對(duì)高、低溫水冷卻器現(xiàn)有問題分析結(jié)果，制定出以下優(yōu)化改造方案。

3.1 更換高、低溫水冷卻器材質(zhì)

鈦合金具質(zhì)量輕、強(qiáng)度大、機(jī)械力學(xué)性能優(yōu)越等多種優(yōu)點(diǎn)，在各種介質(zhì)中均有良好的耐腐蝕性，且鈦合金中金屬離子不易流失，抗沖刷能力較強(qiáng)。

3.2 對(duì)換熱器重新設(shè)計(jì)

對(duì)現(xiàn)場高低溫水換熱器故障現(xiàn)象進(jìn)行分析，判斷出故障頻繁的主要原因?yàn)閾Q熱介質(zhì)快速流動(dòng)沖刷導(dǎo)致的腐蝕。根據(jù)傳熱方程式：

式中：Q為傳熱熱量；K為傳熱系數(shù)；F為傳熱面積；△Tm為兩流體間的平均溫差。

為滿足主機(jī)冷卻系統(tǒng)的工況要求，兩流體間的平均溫差△Tm必須滿足要求，否則換熱量不夠會(huì)影響機(jī)組冷卻系統(tǒng)，進(jìn)而影響機(jī)組正常運(yùn)行。只有保證海水與冷卻液間傳熱熱量(Q)，才能達(dá)到換熱的目的，故式中傳熱系數(shù)K與傳熱面積F為變值[5]。

根據(jù)上述傳熱方程式，傳熱系數(shù)K與流速成正比，即流速越快換熱系數(shù)越大，換熱效果越好。為保證平臺(tái)的使用工況，在降低流速的情況下，K變小而適當(dāng)加大傳熱面積F可以保證△tm兩流體間的平均溫差△Tm。為加大傳熱面積F，必須增加換熱管的數(shù)量和加大筒體內(nèi)直徑。經(jīng)設(shè)計(jì)計(jì)算，冷卻器的內(nèi)直徑由Φ402變更為Φ480；換熱管數(shù)量由560根增加為 920根；換熱面積由24m2增加到40m2。此處計(jì)算過程略。

側(cè)面連接口位置調(diào)整：高溫水冷卻器海水的進(jìn)出口及冷卻液的進(jìn)出口中心Y坐標(biāo)上移 138mm，X坐標(biāo)不變，配管時(shí)加長豎直方向管的長度。

低溫冷卻器的內(nèi)直徑由Φ466變更為Φ550；換熱管數(shù)量由950根增加為1480根；換熱面積由48m2增加到77m2。

側(cè)面連接口位置調(diào)整：低溫水冷卻器海水的進(jìn)出口及冷卻液的進(jìn)出口中心Y坐標(biāo)上移 47mm，X坐標(biāo)不變，配管時(shí)加長豎直方向管的長度。

3.3 增加防沖板

通過高、低溫水冷卻器故障現(xiàn)象可以發(fā)現(xiàn)腐蝕發(fā)生在海水進(jìn)口的對(duì)側(cè)封頭處，原因是高低溫水冷卻器內(nèi)海水流速較高，海水流過換熱管后直接沖擊封頭的內(nèi)表面，造成封頭內(nèi)表面腐蝕。

為了防止流體直接沖刷管子而引起管子振動(dòng)失穩(wěn)和腐蝕[6]，在封頭內(nèi)表面海水沖擊處增補(bǔ)5mm 厚鈦板，以減緩其腐蝕，增加冷卻器使用壽命，如圖5所示。

圖5 封頭增補(bǔ)防沖板改造設(shè)計(jì)圖 Fig.5 Design drawing of anti-impact plate reconstruction

防沖板與封頭內(nèi)表面采用密封滿焊，焊接時(shí)如不留放氣孔，則在焊接封口處易形成焊接裂紋，導(dǎo)致縫隙腐蝕。采用特殊焊接工藝可以有效避免此類問題，保證冷卻器的使用壽命。

4 結(jié)論和建議

對(duì)燃?xì)庵鳈C(jī)高、低溫冷卻器故障部位進(jìn)行分析，通過目視宏觀檢查、化學(xué)取樣分析、無損探傷和重新建模計(jì)算等方法得出高低溫冷卻器故障原因主要是冷卻器內(nèi)部換熱介質(zhì)快速流動(dòng)沖刷導(dǎo)致的腐蝕。據(jù)此提出優(yōu)化改造方案：①冷卻器材質(zhì)選用性能更優(yōu)異的鈦合金；②重新設(shè)計(jì)計(jì)算，增大冷卻器換熱面積，降低換熱介質(zhì)流速；③設(shè)計(jì)增加降低沖刷的防沖板結(jié)構(gòu)。通過以上優(yōu)化改造增強(qiáng)了高、低溫水冷卻器的設(shè)備穩(wěn)定性，恢復(fù)了其良好的技術(shù)狀況；同時(shí)，減少了相關(guān)維修費(fèi)用，延長了設(shè)備的使用壽命，提高了燃?xì)庵鳈C(jī)的工作效率。

此項(xiàng)優(yōu)化改造對(duì)主機(jī)冷卻系統(tǒng)可靠性要求高、維修資源不足的海上采油平臺(tái)同類冷卻器升級(jí)改造具有很強(qiáng)的借鑒意義，但加工制作成本較高，建議在降低冷卻器制作成本上開展進(jìn)一步研究?！?/p>