（机械工程专业论文）浮头式换热器失效分析与延寿技术.pdf

中文摘要 论文题目：浮头式换热器失效分析与延寿技术 专业：机械工程 硕士生：周涛( 签名)函邀 指导教师：李晓红( 签名)弛! ： 徐东( 签名) i 名益。 摘要 在石油化工、化学工业、能源工业等生产领域中换热器是应用很普遍的热量交换设 备，据统计，在大中型企业建设投资中，换热设备的购置费约占总投资的2 0 一4 0 ，特 别是在炼油化工企业中换热器占总设备数量的4 0 左右。由于浮头式换热器管束可以抽 出来，清洗方便，管束在使用过程中温差膨胀而不受壳体约束，不会产生温差应力等优 点，在化工装置中应用范围较广，但是在使用过程中管程内外介质压力的不同、介质的 腐蚀、冲刷、温度、焊接缺陷以及密封材料的损坏，使得换热器故障不断，影响着生产 装置的正常运行和工厂的经济效益，对浮头式换热器进行失效及故障分析，制定合理的 延寿方案，保证设备长周期运行己成为生产中不可忽视的问题。 本文研究的目的是：通过收集现场运行中浮头式换热器失效背景材料，研究造成设 备故障的失效原因，对失效部位、失效原因进行分析，查找原因制定合理的改进方案， 实现设备长周期运行目标。 本文的创新点和成果在于：对浮头式换热器在运行过程中出现的故障进行系统的故 障分析；运用比较系统全面的失效分析提出合理的延寿技术方法，优化浮头式换热器工 艺流程系统，提出合理的优化改进方案，为浮头式换热器创造更好的运行条件，减少设 备的故障率，保障装置的长周期运行。 关键词：浮头式换热器失效分析延寿技术 论文类型：应用研究 英文摘要 s u b j e c t ： f l o a t i n g h e a dt y p eh e a te x c h a n g e rf a i l u r ea n a i y s i sa n dl i l ee x t e n s i o n t e c h n o l o 斟 s p e c i a i i 锣： m e c h a n i c a le n g i n e e r i n g n a m e ： z h o u1 a o ( s i g n a t u r e ) 兰盘旦丛2 砬 i n s t r u c t o r ：l ix i a o h o n g ( s i g n a t u r e ) x ud o n g ( s i g n a t u i - e ) a b s t r a c t i nt 1 1 ep e t 】r o c h e m i c a li n d u s t 吼c h e m i c a li n d u s 臼me n e 玛yi n d u s t 巧a n do t h e rp r o d u c t i o n a r e a si nm eh e a te x c h a j l g e ri sav e r yc o m m o na p p l i c a t i o no fh e a te x c h a n g ee q u i p m e n t ， a c c o r d i n g t os t a t i s t i c s ，i n v e s t l i l e n ti nm e d i u m s i z e de n t e 印r i s e st ob u i l d ，h e a tt r a i l s f e r e q u i p m e n tp u r c h a s ec o s t so ft l l et o t a li n v e s t i i l e n to f2 0 一4 0 ，e s p e c i a l l yi nt 1 1 eo i lr e f i l l i r 培 c h e m i c a li n d u s t 叮e q u i p m e n ti nt l l eh e a te x c h a n g e ro ft 1 1 et o t a ln 啪b e ro f4 0 a st h en o a t i n g h e a dh e a te x c h a u l g e rt u b e sc a i lb et a ：k e no u t ，e a s yt oc l e a l l ，t l l et e m p e r a t u r ed i f r e r e n c ei nt h e c o u r s eo f b l u l d l e 谢t l l o u ts h e l le x p a n s i o nc o n s t r a i n t s ，嘶un o tp r o d u c et l l e m a ls 仃e s s ，e t c ，i na c h e m i c a lp l a n ti nt h ew i d er a i l g eo fa p p l i c a t i o n s ，b u ti nm ec o u r s eo fp r e s s u r ei n s i d ea n d o u t s i d et 1 1 et u b ei nd i f l e r e n tm e d i 如m e d i ac o r r o s i o n ，e r o s i o n ，t e m p e r a t i j r e ，w e l d i n gd e f e c t sa i l d d 锄a g et os e a l i n gm a t e r i a l s ，m a l ( i n gt h eh e a te x c h a i l g e rf a i l u r e sc o n t i n u e ，a a e c t i n gt h en o n n a l o p e r a t i o no fp m d u c t i o ne q u i p m e n ta n df i a c t o r ) rc o s to ft l ef l o a t i n gh e a dh e a te x c h a j l g e rf o r f 萄1 u r ea l l df a i l u r ea n a l y s i s ，d e v e l o par e a s o n a b l el i f ee x t e n s i o nm 如o d st oe n s u r et h a t e q u i p m e r l ti s1 1 m i l i n gh a sb e c o m eal o n g - p e r i o dp r o d u c t i o nc a n n o tb ei g n o r e d t l l ep u 印o s eo ft h j ss t l l d ya r e ：t oc o l l e c ts i t en mb yt i l en o a t i n g h e a dh e a te x c h a l l g e r 黼1 s i nt 1 1 eb a c k g r o u i l dm a t e r i a j ，e q u i p m e n tf a i l u r ec a u s e dt h ef 撕l u r eo fr e a s o n ，t 1 1 ef 撕l u r es i t e ， f 萄l u r et oa n a l y z et l l ec a u s e s ，f i n dt l l er e a s o n st od e v e l o par e a s o n a b l ei m p r o v e m e n t p r o g r a mt o a c k e v el o n g - t e n l lo p e r a t i o no fe q u i p m e n tt h et a r g “ h m o v a t i o no ft l l i sp 叩e ra n dr e s u l t si s ：m en o a t i n gh e a dh e a te x c h a n g e rd u r i n go p e r a t i o n f 葡l u r e sf o rs y s t e mf a i l u r ea n a l y s i s ；t h eu s eo fm o r ec o m p r e h e n s i v ef 撕i u r ea n a l y s i ss y s t e m ，a r e a l s o n a b l em e t h o do fl i f ee x t e n s i o nt e c h n o l o g y p r o c e s so p t i m i z a t i o nn o a t i n gh e a dh e a t e x c h a i l g e rs y s t e m ，ar e a s o n a b l eo p t i m i z a t i o ni m p r o v e m e n tp m 乎锄f o r t h ef l o a t i n gh e a dh e a t e x c h a n g e rt 0 c r e a t eb e t t e ro p e r a t i n gc o n d i t i o n s ，r e d u c ee q u i p m e n tf 甄l u r er a t e s ，l o n g t e m o p e r a t i o nt op r o t e c tm ed e v i c e k e yw o r d s ：f l o a t i n gh e a dt y p eh e a te x c h a n g e r ， f a i l u r ea n a l y s i s，l i f ee x t e n s i o n t e c h n o l o g y t h e s i s ：a p p l i c a t i o nr e s e a r c h 第一章绪论 1 1引言 第一章绪论 在石油化工、化学工业、能源工业等生产领域中换热器是应用很普遍的热量交换设 备，据统计，在大中型企业建设投资中，换热设备的购置费约占总投资的2 0 4 0 。特 别是近年开发的新工艺及引进国外的先进工艺，都充分考虑了热能的综合利用，所采用 热能设备的高效性、可靠性，从而推出了各种形式的高效、节能换热设备，应用到不同 的热量交换操作单元中。目前各装置上采用的换热设备就是在生产过程中实现热能传递 的设备，使热量从温度较高的流体传递给另一种温度较低的流体，根据生产工艺的不同， 为使装置的热量能够得到充分利用和满足操作工艺参数，装置处于能量最优化的状态下 运行，换热设备又可以分为热交换器、冷凝器、加热器、冷却器等。在石油化工企业生 产中，换热设备不但可以作为一个单独的化工设备，而且在其他设备中也常附有换热设 备或换热部分，如炼油厂常减压装置蒸馏设备中的回流冷凝器，蒸发设备中的加热，化 肥厂中的高低变炉和氨合成塔中触媒的换热等，均在生产流程中处于较重要的位置且是 不可缺少的生产操作设备。 不断完善换热设备的维护、检查、检修，是石油化工企业安、稳、长、满、优长周 期安全生产的保证，是装置“该修必修、修必修好”的前提，是提高生产企业经济效益 的重要途径。特别是在炼油化工企业中换热器占总设备数量的4 0 左右，在其龙头装置： 常减压装置中也起着关键的作用，它能否安、稳、长、满、优长周期地运行，直接影响 着此装置及后续系统的正常生产，直接影响着装置的热量平衡及能源平衡，使装置的经 济效益受到直接的影响。在我公司每年的日常维修及周期大修设备损坏情况的统计资料 表明：换热器类设备损坏的百分比例最高，为2 7 2 ，远远高于塔器、容器、储罐等设 备的总损坏比例( 1 7 2 ) 。近年来随着节能技术的高速发展，应用领域的不断扩大，利用 换热器进行高温和低温热能回收为企业带来了显着的经济效益。随着市场需求的不断， 国家对原油资源的调控政策控制，炼油企业处理国外进口高含硫原油的数量不断增加， 而且目前国内生产的原油酸值和含硫量也在不断上升，对处理这类原油给设备造成了很 大的腐蚀，尤其是对目前仍在运行的换热设备的材质腐蚀非常普遍、严重，且难以控制， 给装置的安全运行带来隐患，如何控制此类隐患给装置带来的危害，采取主动控制措施， 有计划地实施设备升级替换、进行有效可行的技术改造，是保证装置长周期运行、减少 维修频率、降低维修费用，提高企业竞争力，为企业带来最大经济效益行之有效的措施。 在石油化工企业生产中，用于汽一液、汽气、气气、液液之间的换热设备，按热量 的交换方式可分为表面式换热器、蓄热式换热器、液体简洁式换热器、直接接触式换热 器。目前，在换热器设备中，使用最广泛的是列管式换热设备，约占换热器设备量的7 0 ， 西安石油大学硕士学位论文 浮头式换热器在列管式换热器中使用量最大，浮头式换热器管束改变了原有固定管板式 结构，使换热管束在检修中可以抽出来，给设备的清洗和检修带来了很大的便利，管束 在使用过程中不再象原有固定管板式温差大后由于没有伸展的空间，受到换热设备壳体 的限制，产生的热膨胀应力可通过浮头在大帽中的自由伸缩补偿等优点，使它在炼油化 工生产得到广泛的应用。但是在实际操作过程中由于管程与壳程中流动的流体压力的不 同、设备中流动介质的腐蚀程度、流动介质的流速对管束的冲刷程度、管束内外温差的 变化、制造过程中的由于管束与管板连接处的缺陷以及由于密封面焊接造成的变形，为 设备的运行留下了发生事故的隐患，由于设备造成的生产事故不断，直接影响着生产装 置的长周期运行和增加装置的生产成本，降低企业的经济效益，由此带来的物料浪费和 环境污染，甚至是直接威胁到装置的正常生产，已成为企业生产、设备、安全部门在日 常的生产管理及技术更新中不可忽视的，必须合理解决的问题。 1 2 现状及发展趋势 浮头式换热器( 见图1 1 ) 是由管箱、壳体、管束、浮头盖、外头盖等零部件组成。由 浮头式换热器结构可以看出，浮头端可以在壳体大帽中自由伸缩，可以对管束由于热膨 胀产生的热应力得到补偿，因此在实际操作过程中壳程与管程中的流体可以存在较大温 差，不会造成管程与壳程之间产生温差应力，影响设备的正常运行。从浮头式换热器自 身的结构可以看出具有以下的好处：管束不受壳体的限制可以自由抽出，为后续的检 修提供了便利；管程、壳程之间流动的介质不用在受温差的限制；介质在在高温、 高压下均可正常工作，使得设备的使用范围进一步扩大；因其结构的特点，可以将管 束自由的抽出，因此在结垢严重的环境下也可以不受限制的使用；管束在腐蚀环境中 也可推广。缺点：因设备结构内部小浮头在壳体中，安装过程中安装及试压不到位均 会导致日后运行过程中此处的失效；因其结构比原有固定管板式结构多一个可自动移 动的内部小浮头，设备金属材料的用量相应增加，造价也将大幅提高；结构比老式的 固定管板式复杂较多。 图卜1 浮头式换热器简图 2 第一章绪论 从浮头式换热器的结构特点及优缺点可以看出，它在使用过程中最大的特点就是管 束可以抽出来，为设备的维修带来了便利，大大减轻了设备维修的工作量，节约了费用。 管束在使用过程中由温差带来的膨胀不受壳体约束，不会产生温差应力，减少了由于应 力的作用造成设备的失效。 浮头端设计可设计成可拆结构，使管束很容易地插入或抽出，这样为检修、清洗提 供了方便。浮头式换热器的浮头也有不同的结构型式，常用的是用钳形环和螺栓使浮头 和管板密封贴合，以使管内和管间流体互不渗漏。 1 2 1 现状 换热器大多用碳钢制造，再加上换热器中流动的工作介质又有许多都是有腐蚀的， 直接威胁着管束的使用寿命。其中，管束与管板的连接部位是造成设备失效的主要原因。 管束与管板连接采用胀接形式的，由于在制造过程中焊接时产生的残余应力，在已胀和 未胀管段的过渡区上，管子内、外壁都存在拉应力区，对应力腐蚀非常敏感。管束与管 板连接采用焊接形式的，管束与管板孔之间不可避免的会存在缝隙，这样在实际运行中 缝隙之间就充满了壳程介质，从而诱发了此处腐蚀的发生。许多合金钢和不锈钢换热器 管束腐蚀亦很严重，管束式冷却器最大局部腐蚀速率有的高达1 0 删“年以上，平均为 2 5 删：年5 2 5 舢 n 年。从腐蚀的基本规律来看，一般气相部位的腐蚀轻微，液相部位的 腐蚀较重。尤以汽液两项转变处即“露点”部位最为严重。腐蚀的形态为全面腐蚀和局 部腐蚀两种，其中以点蚀最为突出。这一些列的失效、腐蚀问题都为装置的长周期安、 稳、长、满、优运行带来了很大的隐患，也是企业管理者日常管理工作中必须考虑的管 理因素。 从我公司日常的生产管理及每年的大修、日常维修中，设备暴露出的问题可以看出 浮头式换热器腐蚀泄漏是影响设备正常生产的主要故障问题。经常发生的故障见表1 1 ： 两安石油大学硕士学位论文 表1 1浮头式换热器经常出现的故障及原因 故障现象故障原因 法兰泄漏法兰泄漏常发生与螺栓部位和旋入处，螺栓随着温度上升而伸长， 紧固部位发生松动 污垢导致热效率降低流体中含有固体物、悬浮物；冷却水中的藻类、细菌、泥沙都会 导致严重结构 管子的腐蚀、磨耗l 、污垢腐蚀 2 、流体为腐蚀介质 3 、管内壁有异物积累，发生局部腐蚀 4 、管内流速过大，发生磨损；流速过小，则异物易附着管壁产生 电位差而导致腐蚀 5 、管端发生磨损 管子振动1 、管与泵、压缩机共振 2 、回转机械产生的直接脉动冲击 3 、侧面进入的高速蒸汽等对管子的冲击 4 、管振动是由于流速、管壁厚度，折流板间距，列管排列等综合 因素引起的 由于管组装部位松动形成的泄漏1 、管振动 2 、开停车和紧急停车造成的热冲击 3 、定期检修时操作不当产生的机械冲击 1 2 2 发展趋势 目前国内外换热设备的防腐手段大致有以下几种：一是涂层防腐，即利用涂料把介 质与换热器基体屏蔽开，中断化学与电化学腐蚀途径。例如，国外换热器专用防腐涂料 有美国的杜拉、德国的索卡酚、日本的米通等。国内有国家海洋局海水淡化与综合利用 研究所研制生产的碳钢水冷器专用防腐涂料t h 8 4 7 ，t h 9 0 1 。二是镀层防腐，即利用 电镀或化学镀工艺在换热器基体表面沉积一层致密的耐蚀金属或合金来抵抗介质的侵 蚀。倒如电镀镍、铬、化学镀镍磷合金等。三是电化学保护，即改变组成设备金属的电 极电位而使其不被腐蚀。例如外加电流阴极保护和牺牲阳极保护。四是渗层保护，即利 用热处理的方法将合金元素扩散入金属表面，使之合金化，从而提高其耐蚀性。例如渗 a l ，c r ，s i ，b 等。五是换热器本身选用耐蚀材质，即根据使用条件，设计部门直接指定了 制作所用的村质。如石墨改性聚氯乙烯、聚丙烯、聚四氟、石墨铜合金、铝镁合金、不 锈钢、n d 钢、钦、错及其台金等。六是热喷涂( h i g h v e l o c i t yo x y f u e l ，简称h v f o ) 膜， 该方法也正在被迅速地应用于石油工业和采油机械工业。 4 第一章绪论 另外，还可采用涂层镀层相结合的工艺。浮头式换热器防腐时要把两端封头打开， 把换热器芯子抽出。如果管程走水时、则管程为涂层，壳程为镀层，这时应先把涂层涂 装完毕，做简易封头把芯子两端花板封上( 以免活化液和镀液进入管程) ，再进行壳程施 镀镍磷合金。如果相反，则先进行壳程涂装，后进行管程施镀，此时壳程涂层不进行化 学镀反应。实践证明，经涂装的换热器使用一周期后，管程走水一侧涂层仍完好无损， 而壳程有部分脱落( 主要在防冲板附近) ，大部分鼓泡，严重影响了防腐效果。而壳程进 行了镀层防腐后，首先提高了对有机介质的抗侵蚀能力，其次镀层附着力好，硬度高， 在运输封装时不易被破坏，保证了防护层的完整性，从而提高了防腐效果。 1 3 课题来源背景 随着中国石油国际化战略的发展需要，在中国石油对外依存度不断上升的背景下， 加工劣质原油的比例将继续增加。炼化企业为获取更大的经济效益，加工高硫、高酸机 会原油呈现明显的逐年递增趋势：由于原油来源地域的复杂性和不确定性，导致原油品 质呈现多样化、复杂化的发展趋势。无论是炼油装置还是化工装置，因设备、管道腐蚀 泄漏造成的非计划停工和次生事故明显增多。随着原油进厂带来的腐蚀性物质的增加， 给炼油装置带来了越来越严重的腐蚀问题，这是所有炼化企业必须认真面对的现实。 近年来，炼化装置的规模不断扩大同时也在不断老化，腐蚀损失也在不断加大。部 分装置的连续生产时间不足一年，一些装置连续停工检修，频繁更换设备造成了巨额损 失。个别企业因腐蚀更换水冷器管束的费用每年就高达两、三千万元；部分企业曾多次 发生因设备、管线腐蚀泄漏导致的着火甚至爆炸事故。 兰州石化公司每年检修费用的4 0 为换热设备更换管束、清洗、管束防腐。换热设 备的平稳运行是保证我公司三年一修目标完成的前提。 1 4 课题的研究内容 本课题针对目前炼油化工生产过程中，浮头换热器故障不断的现状，主要从以下几 方面进行研究： 收集浮头式换热器运行中出现的失效背景材料； 研究浮头式换热器腐蚀造成失效的原因及对策； 分析浮头式换热器管箱内泄漏的原因： 对浮头式换热器管束泄漏造成的失效进行分析； 换热管束结垢原因进行分析； 根据失效原因制定合理的延寿技术方法； 实现浮头式换热器长周期运行目标。 ) 1 2 3 4 5 6 7 8l，lllll，l，l 西安石油大学硕士学位论文 1 5 课题的研究意义 不断完善换热设备的维护、检查、检修，是石油化工企业安、稳、长、满、优长周 期安全生产的保证，是装置“该修必修、修必修好 的前提，是提高生产企业经济效益 的重要途径。特别是在炼油化工企业中换热器占总设备数量的4 0 左右，最近2 0 多年 来，随着科学技术的飞速发展，使换热器的形状尺寸愈来愈大，结构的优化不断更新， 操作条件也日益苛刻，尤其是在石油化工行业的高热流率、高节奏性的换热器中，经常 会发生各种腐蚀及破坏失效，直接导致装置的停工，给装置的安、稳、长周期运行造成 严重危害，企业的经济效益也直接受到影响。 通过对换热器比较系统全面的失效分析，找出延长换热器使用寿命的方法，为浮头 式换热器创造更好的运行条件，减少故障率，为装置的安、稳、长周期运行打下基础。 6 第二章浮头式换热器的失效分析 第二章浮头式换热器的失效分析 浮头换热器广泛应用于炼油化工生产中， 日常维修中，引起设备失效的各种故障包括： 其连接处泄漏、法兰泄漏、堵塞等。 2 1 浮头式换热器失效分析的意义 从我公司日常的生产管理及每年的大修、 换热设备腐蚀泄漏、管箱内泄漏、管束及 失效分析是分析产品失效的原因、研究采取补救和预防措施的技术和管理活动。失 效分析在生产发展和技术进步中有重要作用。通过失效分析，可以判明或预测发生失效、 事故的原因，找出防范事故、提高产品质量与可靠性的措施，避免同类事故的再次发生， 为企业的长周期运行提供保障，推动企业技术改造为装置创造更好的运行条件，给企业 带来更大的效益。 在炼油化工企业中换热器占总设备数量的4 0 左右，浮头式换热器更是占了大多数， 如何采取高效传热，新材料的选择，制造工艺方面的焊接性能，设计结构优化、安装过 程中的控制，精心的使用操作等问题的合理解决，都为设备的运行创造良好的条件，如 何协调解决好这几方面的问题，将为装置的长周期运行提供保障，为企业带来更大的经 济效益。浮头式换热器在使用过程中，会出现各种故障，如管箱内泄漏、管束及其连接 处泄漏、法兰泄漏、腐蚀泄漏、堵塞等。合理的解决换热器的失效问题及如何能够达到 长周期运行是每个生产管理者必须考虑的问题。 2 2 浮头式换热器的失效形式 从现场运行的情况来看，浮头式换热器失效大体可分为：失稳失效、疲劳失效、共 振失效、腐蚀失效等几种形式。 1 、失稳失效 换热管受内压时，随着内压增大，个别部位开始出现翘曲，翘曲对换热管的危害在 于它会大大降低换热管承受内压的能力，从而使整个换热管出现更严重的翘曲，进而使 换热管承受内压的能力进一步降低，如此恶性循环，将出现平面失稳。这一问题可以通 过控制管程的操作压力来防止，另一种情况是在压力一定时由于换热管过长而出现轴向 柱状失稳，这一点可以通过焕热管与折流板的联接结构来解决，适当增加折流板的数量 来防止因换热器壳程入口物料进给而使换热管引起的振动。 2 、疲劳失效 换热管由于循环载荷而导致管壳上的应力往往超过材料的屈服极限，引起疲劳失效， 疲劳失效裂纹多数应出现在应力集中部位。为此在操作上要力求平稳，避免产生波动来 克服疲劳失效。 7 西安石油大学硕士学位论文 3 、共振失效 当换热管的固有频率和系统中的任意振动频率相同或相近时，将产生共振，共振不 仅会使换热管寿命急剧下降而失效，同时还会引起与之相连的部件应力过大，发生泄漏 或断裂。通过设计计算可以将系统的频率与换热管的固有频率错开，同时还可以通过加 装缓冲器、防冲板，减振器和改变换热管刚度等方法来防止共振。 4 、腐蚀失效 管式换热器出现的破坏类型几乎包括了所有的主要腐蚀破坏形式，其中包括均匀腐 蚀、接触腐蚀、选择性腐蚀、孑l 蚀、缝隙腐蚀、冲刷腐蚀、晶间腐蚀和应力腐蚀等。 均匀腐蚀：在整个暴露于介质的表面上或者在较大面积上产生的宏观上均匀的腐蚀 破坏叫均匀腐蚀。产生均匀腐蚀的金属厚度逐渐减薄，最后破坏。在浮头式换热器中壳 体、封头通常采用碳钢材料，所发生的腐蚀即为典型的全面腐蚀。由于设计时留有腐蚀 裕量，因此，这种现象虽然常见，但破坏性不大。 接触腐蚀：两种电位不同的金属或合金互相接触，并浸于电解液中，它们之间就有 电流通过，电位正的金属腐蚀速度降低，电位负的金属腐蚀速度增加。前者为阴极，后 者为阳极。这种阳极的腐蚀称为阳极腐蚀。在浮头式换热器中，换热管常用1 8 8 格镍不 锈钢制造，管板用碳钢材料，因此管子和管板存在接触腐蚀的可能性。处于钝态的1 8 8 铬镍不锈钢其电位远远正于碳钢，此时，当管板腐蚀增加时换热管受到了保护。但处于 液化态的不锈钢其电位与碳钢相近，失去了保护作用。 孔蚀：集中在金属表面个别小点上深度较大的腐蚀称为孔蚀或点蚀。孔蚀是造成最 严重隐患的腐蚀型式之一。它常常使金属在整体失重很小的情况下就产生穿孔而破坏。 孔蚀的产生一般需要一个孕育期，多数孔蚀在蚀孔一旦形成后，发展速度就会一直增加 下去。 选择性腐蚀：合金中某一元素由于腐蚀，优先进入介质的现象称为选择性腐蚀。 缝隙腐蚀：在金属表面的缝隙和被覆盖的部位会产生剧烈的缝隙腐蚀。 冲刷腐蚀：冲刷腐蚀是由于介质和金属表面之间的相对运动而使腐蚀过程加速的一 种腐蚀。 晶间腐蚀：晶间腐蚀是优先腐蚀金属或合金的晶界和晶界附近区域，而晶粒本身腐蚀 比较小的一种腐蚀。 应力腐蚀破裂( s c c ) 和腐蚀疲劳s c c ：是在一定的金属一介质体系内，由于腐蚀和拉 应力的共同作用造成的材料断裂。 氢破坏：金属在电解质溶液中，由于腐蚀、酸洗、阴极保护或电镀，可以产生因渗氢而 引起的破坏。 炼油化工装置的换热器损坏常见的是腐蚀，腐蚀的部位主要在管子、管子与管板连 接处、壳体。1 、管子的腐蚀：如管内走的是腐蚀性流体介质，长期冲刷和运行将造成 管子的全部减薄，。另一种是局部腐蚀，特别是在管子入口端的4 0 5 0 c m 处的管端，是 第二章浮头式换热器的失效分析 流体在死角处产生涡流扰动造成的；2 、管子与管板连接处的腐蚀：管子与管板的连接常 用焊接、胀接或者是先焊后胀。由于胀接、焊接应力的存在，很容易在管板、胀焊区内 发生裂纹，大多呈环向锯齿状：3 、壳体的腐蚀：壳体的腐蚀，一般发生在焊接部位，再 者是当折流板的材质和壳体不同时，折流板和壳体的接触部位也极易产生电化学腐蚀， 把壳体腐蚀穿孔。 振动失效也是常见的失效原因：换热器内的流体流速一般较高，由于流体的脉冲和 流动都会造成换热管的振动，或者整个设备振动，但最危险的是在工艺开车过程中，提 压或加负荷较快，很容易引起换热管振动，特别是在隔板处，管子振动的频率较高，容 易把管剪切断，造成断管泄漏。 2 3 浮头换热器的失效类型 2 3 1 设备腐蚀泄漏 在炼油化工企业中换热器应用十分广泛，在整个装置的工艺流程操作中也处于很重 要的位置，换热设备运行的平稳与否将直接影响到整个工艺流程操作的平稳、物料平衡 以及经济效益。从新建装置的投资初步设计概算的数据统计资料表明，换热器在整个初 步设计概算中的设备购置费约占投资的1 5 ，因此，换热器的失效分析及延寿技术的探讨 是很值得研究的问题。从换热器的失效现状及原因分析来看，腐蚀是一个十分重要的首 要原因，在日常的生产过程中换热器的腐蚀状况广泛存在，如何解决好运行过程中的腐 蚀问题，就等于从根本上解决了换热器的失效问题。要想预防换热器的腐蚀，就得实施主 动控制，预先分析原因拟定和采取各项预防性措施，从根本上的原因找出腐蚀的根源。 现从以下几方面来讨论换热器的腐蚀原因。 2 3 1 1 换热器用材的选择 使用何种材料的决定因素是其经济性、实用性、可靠性，目前常用的管子材料有不 锈钢，铜镍合金，镍基合金，钛和锆等，除了生产特殊要求不能使用焊接管的情况以外 都使用了焊接管，管程一般采用耐蚀材料，壳程通常均采用碳钢。在加工含硫原油的炼 油处理生产中：如常减压、催化裂化、延迟焦化与重整加氢等装置的换热器均会造成腐 蚀。这些设备在生产运行中经常处于低温轻油腐蚀及高温重油腐蚀环境，此外，在操作 运行中对换热器的运行管理不重视，不严格执行必要的操作规程，不严格按照工艺参数 指标运行，设备长期在比较恶劣的环境中运行是设备腐蚀的主要因素，在每年的停车大 检修及日常的维修过程中，对腐蚀产物及管内堆积污物清理不彻底等均会导致设备投入 欲行后腐蚀状况的加剧。在设计选材、制造安装、检修安装、清洗等过程中由于不严格 执行操作规程或操作失误均会造成换热器带坑、划痕等缺陷运行。所有的腐蚀最终都会 产生应力腐蚀、环境腐蚀( 酸性腐蚀、碱性腐蚀、氯腐蚀等) 。 9 西安石油大学硕士学位论文 换热器最常见的腐蚀部位是传热管，占整个换热设备腐蚀失效状况的7 0 ，主要原 因为其管壁厚度比其它部件要薄，焊口及胀口在设备的制造过程中均残存一定的残余应 力。如水走壳程，水的流速较低，管束间很容易被沉积的污垢堵满并且长期的附着形成 腐蚀，严重影响换热器的传热效果。水走管程对结垢影响相对小一些，但对未采用涂镀 层防腐的碳钢，由于产生坑蚀管壁粗糙不平，也容易结垢，因此仍会产生垢下腐蚀。对 于换热器中的异材结构会造成电偶腐蚀，其腐蚀产物沉积在传热管上形成垢下腐蚀、导 致管子过早失效。因此在换热器用材的选择上首先要考虑换热管束的用材，充分考虑换 热管束的运行环境及所处的环境，及有可能出现的腐蚀状况进行选材，减轻日后装置运 行过程中的腐蚀。 2 3 1 2 换热器的金属腐蚀 金属腐蚀是指在周围介质的化学或电化学的作用下，并且经常是在和物理、机械或 生物学因素的共同作用下金属产生的破坏，也即金属在它所处环境的作用下所产生破坏。 换热器运行过程中常见的几种金属腐蚀破坏类型有：均匀腐蚀、接触腐蚀、选择性 腐蚀、孔蚀、缝隙腐蚀、冲刷腐蚀、晶间腐蚀、应力腐蚀破裂和腐蚀疲劳、氢破坏。 2 3 1 3 冷却介质对金属腐蚀的影响 工业上使用最多的冷却介质是循环水。循环水的水质状况影响金属腐蚀的因素很多， 主要影响换热器运行的几个因素为：溶解氧、其他溶解气体、硬度、p h 值、离子的影响、 垢的影响 2 3 1 4 传热过程对腐蚀的影响 金属在有热量转换和无热量转换的条件下，腐蚀程度的进程是不相同的。通常有热 量的转换使金属的腐蚀速率加大，特别是在相态变化的情况下，腐蚀程度更加明显。在 不同介质中传热对不同的金属的腐蚀程度也是不相同的。 2 3 1 5 实际运行中腐蚀状况 对从现场截取换热管束腐蚀现状进行表面观察，发现材质为碳钢的管束腐蚀严重， 有的部位已形成严重的腐蚀坑，甚者腐蚀穿透，它们的腐蚀产物为棕红色，腐蚀穿孔减 薄的方向明显由管内向管外发展，其不同程度的宏观腐蚀形貌见图2 1 。 1 0 第二章浮头式换热器的失效分析 a 腐蚀穿孔b 腐蚀但尚未穿孔 c 内壁均匀腐蚀 图2 1 换热器设备检修管束腐蚀局部 从现场打开整体抽出的管束来看整个管束的外表面之间充满了腐蚀产物和垢体，严 重影响了设备的正常运行，使换热效率降低。管束的内表面也是腐蚀的坑洼不平，管箱 内表面也是充满了腐蚀产物，每年的停工大修期间更换管束、清洗换热设备占了整个换 热设备维修的大部分工程量。 a 管束腐蚀现状 c 换热器管箱腐蚀现状 ，一 图2 2 换热器腐蚀状况 b 换热设备腐蚀状况 d 换热管腐蚀 2 3 2 管箱内泄漏 造成浮头式换热器管箱内泄漏的主要原因有：管板与隔板间连接不紧密、管束管板 西安石油大学硕士学位论文 与管箱盖板之间密封泄漏、隔板与壳体焊接处焊接缺陷泄漏。在装置的实际操作运行中 表现的主要的失效形式为：管板变形失效、管束与管板连接处密封失效导致的管板与管 箱密封面及管束与管板之间的泄漏。 1 管板变形失效导致的泄漏 由于管壳式换热器大都是管板兼作法兰与壳体上焊接的法兰及管箱处焊接的法兰组 成密封结构，管板板厚与直径的尺寸相差很大，在换热管束与管板的制造加工过程中， 由于焊接过程中不可避免的会产生热应力，因此直接造成管板密封面产生变形，变形严 重时，将直接影响换热设备的密封效果，产生一系列的恶性循环，螺栓在安装过程中会 加大预紧力，运行后由于温度的升高使螺栓承受更大的预紧力最终导致螺栓( 柱) 断裂或 加大管板的局部变形，最终导致密封失效。这种失效在实际运行中是很常见的，不过出 现这种情况，在装置开工过程中通过保镖运行及热紧可以缓解此种失效导致的设备停运。 2 管束与管板连接处密封失效导致的泄漏 换热器管板与管子的连接处在使用过程最易出现泄漏导致设备失效。兰州石化公司 针对2 0 l o 年6 月至2 0 1 1 年7 月对换热器运行过程中的泄漏情况作了一次调查，调查显 示管板与管子的连接处泄漏高达此阶段总故障的3 2 。从实际应用中可以发现，管子与 管板之间的泄漏主要表现为管子外表面与管板孔之间的界面泄漏，其主要原因是焊接缺 陷及管口的腐蚀所致。运行周期后观察到的管束与管板的使用状况见图2 3 从图中的状 况可以看出，管束与管板之间焊接处存在缺陷，并产生了很多的腐蚀产物。 图2 3 换热器管子与管板1 更用后状况 常用的换热管束与管板之间的连接形式有胀接、焊接、强度胀十密封焊、强度焊+ 贴胀等四种方式。强度胀+ 密封焊和强度焊+ 贴胀是目前设备制造过程中多采用的两种方 式。在实际制造过程中发现，先胀后焊存在较大缺陷，由于胀接过程中留下的油污，不 可能在焊接前全部处理干净，造成焊接时此处残留的油污迅速气化形成制造过程中焊缝 缺陷。由于胀接、焊接应力的存在，很容易在管板、胀焊处发生裂纹。 1 2 第二章浮头式换热器的失效分析 2 3 3 浮头式换热器管束泄漏 换热管是换热器中失效的主要部件约占整个失效状况的7 0 ，换热管失效主要由以 下两方面造成：一、管束振动导致管子变薄，二、污垢沉积形成腐蚀导致管壁穿孔。 1 、管束振动 换热器内的流体流速一般较高，由于流体的脉冲和流动都会造成换热管的振动，或 者整个设备振动，但最危险的是在工艺开车过程中，提压或加负荷较快，很容易引起换 热管振动，特别是在隔板处，管子振动的频率较高，容易把管剪切断，造成断管泄漏。 引起管束振动的原因还和防冲板设计制造、操作不稳定、有害旁流等因素有关。 ( 1 ) 防冲板引起的管束振动 换热器防冲板是防止换热器入口介质直接冲击换热管，对换热管起保护作用的一个 零件，但由于设计、制造等原因，在换热器正常运行中，防冲板脱落的现象时有发生， 脱落的防冲板不但起不到保护换热管的作用，而且在入口介质的压力冲击下，防冲板会 将换热器最上一层的换热管砸漏，导致换热器的壳程和管程介质短路，使其无法正常运 行，甚至报废。防冲板脱落的原因主要有两个：压力波动：由于换热器在运行中压力是 不断地变化的，并且变化的范围较大，导致入口的蒸汽对防冲板的冲击力不断地改变， 造成防冲板不断地上下抖动，尤其是防护板中心处上下抖动的幅度最大。疲劳破坏： 由于防冲板不停上下抖动，在应力集中的焊缝处，应力不停地反复作用，使焊缝开裂， 造成防冲板脱落。 ( 2 ) 操作不稳造成的管束振动 换热器管壳程介质压差大、温差大，给投用时的操作提出更高的要求。如果操作不 稳，可能会对管子产生水击现象，造成管束的强烈振动。如果管板与管子间存在缝隙， 振动产生的应力直接作用在焊缝上，对焊缝造成破坏性影响。因此操作不当引起介质压 力不平稳、温度骤变也会造成泄漏。振动与换热器管子的固有频率有关，而固有频率与 管束的结构、尺寸有关，因此换热器本身的设计缺陷是导致管束振动的原因之一。 ( 3 ) 有害旁流的影响 通过在壳体内设置旁路挡板和折流板，来改变介质的流向，以达到增加传热和减弱 管束的振动。但是，同时由于这些附件与壳体连接过程中不可避免的缺陷，以及附件的 布置改变了介质的流向，使得介质在壳体内的流动增加了很多漩涡从而产生旁流，增加 管束的振动。 2 、腐蚀穿孔堵管 换热器管子泄漏，一般采用堵管方法。首先解体换热器的封头，采用充水、充气或 用液氨渗透的办法检查泄漏的管子部位，然后加工管子堵头，一般加工成有锥度的楔状 堵头，有的是堵后焊接。根据管子在管板上布置的形式，堵后不应焊接，因为焊接时， 管子局部受热，很容易使周围的管子和管板处也受热，从而对管子有一种拉脱的作用， 西安石油大学硕士学位论文 造成周围的列管也松动，开车后，很可能泄漏。现在采用的办法是用手枪式射堵头工具， 一次最大可产生1 0 m p a 的压力，把堵头打到泄漏的管子上，待有机会可把堵头拿掉，更 换新管子。堵管时，一定把材质选好，原则上堵头应和管子是相同的材料，防止产生电 化学腐蚀。 图2 4 换热器泄漏后进行堵管图2 5 污垢沉积腐蚀 2 3 4 换热设备堵塞结垢 换热设备在运行过程中，堵塞结垢现象很严重，也是造成设备失效的主要因素。 图2 6 管束堵塞结垢 1 、列管式换热器结垢机理及状态： 因为列管式换热器大多是以水为载热体的换热系统，由于某些盐类在温度升高时从 水中结晶析出。附着于换热管表面，形成水垢。在冷却水中加入聚磷酸盐类缓冲剂，当 水的p h 值较高时，也可导致水垢产生。初期形成的水垢比较松软，但随着垢层的生成， 传热条件恶化，水垢中的结晶水逐渐失去，垢层即变硬，牢固地附着于换热管表面上。 此外，如同水垢一样，当换热器的工作条件适合溶液产生锈体时。换热管表面上即可积 1 4 第二章浮头式换热器的失效分析 附锈体结晶形成的垢层；当流体所含的机械杂质有机物较多、而流体的流速较小时，部 分机械杂质或有机物也会在换热器内沉积，形成疏松、多孔或胶状污垢。 2 、列管式换热器结垢主要因素： 影响结垢的因素有很多，流体速度、流体流动状态、流体组分的组成和含量以及换 热器的结构等都对污垢的形成有一定的影响，从应用角度考虑，我们只有找出主要因素 才能使结垢问题得到有效解决。对于特定流体而言，影响换热器结垢的主要因素有以下 几个方面： ( 1 ) 流体的流动速度：在换热器中，流速对污垢的影响应该同时考虑其对污垢沉积 和污垢剥蚀的影响，对于各类污垢，用于流速增大引起剥蚀率的增大较污垢沉积的速率 更为显著，所以污垢增长率随着流速的增大而减小。但是在换热器的实际运行中，流速 的增加将增大能耗，所以，流速也不是越高越好，应就能耗和污垢两个方面来综合考虑。 ( 2 ) 传热壁面的温度：温度对于化学反应结垢和盐类析晶结垢有着重要的作用，流 体温度的增加一般会导致化学反应速度和结晶速度的增大从而对污垢的沉积量产生影 响，导致污垢增长率升高。 ( 3 ) 换热面材料和表面质量：对于常用的碳钢、不锈钢而言只是通过腐蚀产物的 沉积而影响结垢；而如果采用耐蚀性能良好的石墨或陶瓷等非金属材料，则不易发生结 垢。换热面材料的表面质量会影响污垢的形成和沉积，表面粗糙度越大，越有利于污垢 的形成和沉积。 3 、列管式换热器垢体成分分析： ( 1 ) 结晶垢体：如水冷却系统中，由于水中过饱和的钙、镁盐类由于温度、p h 值等 变化而从水中结晶沉积在换热器表面，而形成了水垢； ( 2 ) 颗粒垢体：流体中悬浮的同体颗粒在换热面上的积聚； ( 3 ) 化学反应垢体：由于化学反应而造成的同体沉积： 图2 7 化学反应垢体图2 8 腐蚀垢体 ( 4 ) 腐蚀垢体：换热介质腐蚀换热面，产生腐蚀产物沉积于受热面上而形成污垢； ( 5 ) 生物垢体：对于常用的冷却水系统来讲，工业水中往往含有微生物及其所需的 西安石油大学硕士学位论文 营养，这些微生物群体繁殖，其群体及其排泄物同泥浆等在换热表面形成生物垢； ( 6 ) 混合垢体：在过冷的换热面上，纯液体或多组分溶液的高溶解组分凝结沉积。 以上的分类只是表明，某个过程对形成该类污垢是一个主要过程。结垢往往是多种 过程的共同作用结果。因此换热面上的实际污垢，常常是多种污垢混合在一起的。 2 4 失效分析的诊断方法 图2 9 混合垢体 失效分析在生产发展和技术进步中有重要作用。通过失效分析，可以判明或预测发 生失效、事故的原因，找出防范事故、提高产品质量与可靠性的措施，避免同类事故的 再次发生。 石油化工装置使用的换热器，统计资料表明，碳钢制造的各种换热器因腐蚀而损坏 的占8 0 ，不锈钢换热器占8 3 以上。如何防腐蚀，不少专家和广大工程技术人员开发 了许多防腐蚀的新方法，但对运行的换热设备，必须随时诊断监测并分析结果，适时更 换和检修是至关重要的。 2 4 1 极值分析法诊断换热器 此办法主要是针对换热器腐蚀程度的监测，建立相应的数学模型，随腐蚀率的增加 而决定换热器的更换。诊断方法的程序主要有：取样、测量、极值分析。通过实际换热 器的腐蚀测定数据推断最大腐蚀深度的方法，是将标绘在极值概率坐标图上的诸点连线， 或延长线与对应换热器总体递归时间的交点，所对应的点腐蚀深度就是所求出的换热器 总体推断的最大腐蚀深度。 在连续生产的大型护工装置中，抽取在线换热器的样管又一定的困难，甚至是不允 许的，但可以制作小型模拟换热器，建立起同样的数学模型，用同样的方法，推断出在 线使用的换热器总体最大腐蚀深度。 1 6 第二章浮头式换热器的失效分析 2 4 2 涡流探伤腐蚀诊断 目前使用较为先进可靠的探测换热管缺陷和腐蚀情况的办法，为涡流探伤法，它是 将涡流探头插入管内，利用传感