催化装置油浆换热器管板失效原因分析及对策

1、催化装置油浆换热器管板失效原因分析及对策摘要:针对炼油厂4台油浆蒸汽发生器长期以来，由于内漏无法正 常投用的生产实际,从设计、制造、安装、操作维护等诸多方面，进行 深入探讨分析，为该换热器的日常操作维护提供有益的建议。关键词:振动疲劳破坏应力管束重油催化装置油浆蒸汽发生器内漏是全国炼油行业较普遍存在 的问题，玉门炼油厂催化装置现有四台该型换热器(H-202/14),是80 万吨/年重油催化装置改造中增加的为充分利用装置高温热源，降低装 置综合能耗，优化生产调节的重要手段，但由于种种原因，该换热器自 投用后，由于管、程之间内漏互穿介质始终无法正常发挥其设计作用, 有时甚至给装置的安全生产带来许多

2、隐患。现就相关问题进行分析探 讨。1油浆蒸汽发生器结构特点及相关工艺流程装置四台油浆换热器是利用分馏塔底高温油浆(350C)和从余热 锅炉省煤器来除氧水(190C)换热产生3.82MPa饱和中压蒸汽的设备, 为浮头式换热器，设计产气量约为12t/h:其型 号:DN1100-6.4-260-6/32-4I,其结构较常规换热器比较特殊，工作工况 也比较苛刻。2运行状况及检查结果该4台换热器自2005年1月装置建成投用仅运行5个月后，发现 売程蒸汽严重带油现象,其中对H-202/3、4两组进行解体，检查发现换 热器固定管板、管束账焊接头周围有大量贯穿性横向、纵向裂纹，浮 头盖锻焊部位也出现裂纹，停用

3、后於2006年7月安装由兰石厂制造新 管束，启用前每次冷态水压试验均合格，但在投用过程中却每次出现売 程向管程大量内漏蒸汽现象（投用时在未引入油浆，先通过气包向売程 引入了饱和水蒸汽憋压）,现无法正常投用而停用待修。给装置的生产 调节及节能降耗都造成极大的被动。3故障原因分析3.1产汽过程中的管束振动因素3.1.1横流诱发的管束振动该换热器设计为売程汽水混合物从底部4个进水口沿管束垂直 方向进売体，此种流动方式极易诱发换热器管束振动，特别是管束为长 跨距两约束结构，原因是横向流在每根管束后形成了卡曼旋涡,当旋涡 自管束表面脱落频率等于管子固有频率时，振动剧烈增大。长时间、 高频次的剧烈振动产生

4、如下危害：（1）导致管束与固定管板间，在有先 天缺陷的账焊部位处首先产生疲劳裂纹，并最终扩展成裂缝引发泄 露。（2）引发管子与管子或管子与折流板孔（折流杆）之间的频繁撞击， 长时间使管子受到磨损而开裂或切断。3.1.2紊流引发的抖振除卡曼旋涡诱发振动外，对于密排管，紊流引发的抖振也是不可忽 视的因素，当密排管没有足够的空间难以发生卡曼旋涡的脱落现象时, 细的紊流旋涡也可使管子受到随机波动的作用力，而紊流有一个相当 宽频率范围,当频带中的某一频率等于或接近管子任一振型自振频率 时，也会使管子大振幅运动。从而造成管板开裂或管束磨损。3.1.3流体介质的弹性激振流体弹性激振属自激振动,振动一旦开始,

5、振幅将急剧增大,根据 使管子开始振动的临界横流速度，其经验公式 为:V=pfn（mo/p）l/2980（V为临界速度卩为流体速度;fn为管子固有频 率p为密度），可知激振频率与流速成正比关系，其原理是当管子中一 根管子由于振动受力而偏离原位置时，就会破坏周围的稳定流场，改变 邻近管子的受力平衡使这些管子受到波动压力作用而使他们在自振 频率下处于振动状态。进而引发整个管束所有管子的振动。3.2管束、管板温差应力和腐蚀应力因素管束与管板及管板与売体的温差应力是引起换热器冷态投用时 管板账焊预紧部位开裂的主要原因，特别对于大直径的厚管板而言，大 的温差不仅使管束的账接应力大大下降,而且使管束焊接头及

6、整个管 板内等处产生大的不确定附加应力，并与管束的振动疲劳破坏等因素 相叠加，使管束账焊缝的开裂几率大大增加。特别在売程压力很大，管 程压力为零时，根据固定管板式换热器管板应力计算公式可知，此时如 果为正温差(即売体温度-売组装温度涛子温度-管组装温度)时，为最 危险工况组合，即此时管板在某一半径位置存在最大应力集中。从上 述工艺参数表可知,我厂的4台换热器满足最危险工况条件要求。4采取的措施及结构改进建议制造管束时,要求厂家在管束相应4个进料口位置，改防冲挡板 为适当尺寸的轴向导流筒,使汽水混合物尽量沿管束轴向进入管束换 热，降低横流直接冲击诱发的管束振动。仍然采用原设计的折流板式强化传热结

7、构(后新定制做管束为 折流杆式),因为根据我厂H-202结构特点,売体本身为底部横流进料方 式，不存在折流板引发二次横流诱发振动的问题,改折流板为折流杆反 而降低了管束的固定约束力，使其变为单跨距的弹性体(长6m),更容易 发生振动。通过优化管束的排列方式、管束间距及管子直径等达到改变 管子的固有频率,或通过在四个进水管(汽包降水管)内填塞纤维网等 增加压降,降低入口流速等手段，以降低临界横流速度,进而改善流体 紊流抖振和弹性激振等各种引发管束振动的问题。优化流程,在现有流程基础上,在产汽线和管程进口管线间跨 接一换热器启用专用预热线，以便在换热器启用时，向管、売程同时引 入蒸汽流，同时打开放空控制蒸汽温度,缓慢预热管束和売体、管板等, 以减轻它们之间的温差应力和热变形。换热器启用、事故处理及日常生产调节操作时，要严格按照相 关程序进行平稳升温降压，尽量避免操作