用于管殼式原油換熱器在線清洗小球的性能研究

閆肅，曹正宇，廉美蓉，劉英凡，朱金輝

用于管殼式原油換熱器在線清洗小球的性能研究

閆肅，曹正宇，廉美蓉，劉英凡，朱金輝*

（中海油節能環保服務有限公司，天津 300452）

管殼式原油換熱器在石化工業中有廣泛應用，在換熱器管內結垢會增大熱阻，影響換熱，經濟性變差，因此，需要對換熱器進行清洗。研究用于管殼式原油換熱器在線清洗的小球，將不同材質和不同形狀的9種小球分別放置在240 ℃原油的高壓反應釜內，進行連續攪拌72 h，之后采用數碼顯微鏡進行表觀分析以及采用電子萬能試驗機進行拉伸強度和伸長率測試，結果表明：氟橡膠和氫化丁腈橡膠的實心球均表現出較好的拉伸強度和伸長率，可用于高溫原油換熱器。

原油換熱器；在線清洗；小球；拉伸強度

管殼式原油換熱器在石化行業有廣泛應用，在使用過程中，由于換熱器間壁流體溫差作用，及管程內壁流體所含礦化度的影響，常常造成管程內壁結垢，這不僅減少了管程流通橫截面，而且也增大了換熱阻力，降低了換熱器換熱效率,越來越受到人們的關注。近年來，隨著油田的深度開采及聚合物驅油技術的廣泛應用，原油品質逐漸發生變化，導致管殼式原油換熱器結垢現象更加嚴重，影響了設備的正常運行和經濟效益［1］。

管殼式換熱器結垢因素包括流體的性質、速度、化學腐蝕、換熱器各部分的幾何尺寸等［2-5］。因此在設計階段就要改善、優化換熱器結構及運行參數使之不容易結垢、更方便清洗或自動除垢［6-8］。清洗技術主要包含物理清洗、化學清洗，以及物理和化學相結合的清洗［9,10］。清洗技術按清洗時是否停工、是否拆卸，可分為非在線清洗與在線清洗。非在線清洗技術清洗過程消耗大，洗凈能力低、勞動強度大、清洗周期長，對環境污染大，且換熱器的拆裝存在重大安全隱患；在線清洗是指換熱設備在運行過程中的清洗，在線清洗優勢很大：第一，減少機械或化學清洗的停工時間，可節省停工清洗的勞力和費用；第二，延長運轉時間，節約維修費用；第三，防止運行過程中的壓降增加，提高傳熱效率，降低能耗；第四，換熱設備清洗過程中設備不需停運，從而不影響整個生產工藝。目前，由于在線清洗技術的比較匱乏，我國石化領域管殼式換熱器的清洗大多數還是采用非在線清洗技術，每年因換熱器換熱效率下降導致的維修費用居高不下，造成經濟損失和浪費數以萬計。因此，研發耐油、耐高溫的新型管殼式換熱器自動清洗系統，對解決石化行業管殼式換熱器在線清洗技術難題意義重大,而清洗系統最重要的部件之一是清洗小球，選擇合適的材料和形狀，是清洗小球研究的主要方向。

本文對管殼式原油換熱器在線清洗的9種小球展開耐油、耐磨、耐高溫實驗，分析小球變化，篩選出較合理的小球。

1 實驗部分

1.1 原油物性參數

本研究采用的油品來自中海油某油氣處理廠，其物性參數如表1所示。

表1 原油物性參數

1.2 清洗小球

針對擬安裝在線清洗系統的原油換熱器，選用不同材料制作了三種不同外形，但外徑均為20 mm的清洗小球，其主要材料及外形如表2所示。

表2 清洗小球材質及外形

1.3 清洗小球的高壓反應釜實驗

為了保證實驗小球的耐溫、耐磨特性，實驗在帶有機械攪拌的高壓反應釜（20 MPa，550 ℃）內進行，高壓反應釜內裝入原油和清洗小球，溫度保持在240 ℃，反應釜攪拌器持續強力攪拌，連續實驗72 h之后，取出進行表觀測試和強度測試（表3）。

表3 原樣和測試樣表面的數碼顯微鏡照片比較

1.4 清洗小球的表觀測試

采用德國zeiss smartzoom 5數碼顯微鏡進行表觀測試。分辨率可達1 μm，最大移動行程大于30 mm。測試時通過顯微鏡仔細觀察小球的各個部位，查看裂紋情況，拍攝出最大裂紋的局部圖，進行比較分析。

1.5 清洗小球的強度實驗

采用微機控制的電子萬能試驗機測試清洗小球的拉伸強度和伸長率，最大試驗力達200 kN，最大拉伸位移達100 mm。

2 結果及分析

2.1 小球表面變化

9種小球在高壓反應釜內經過240 ℃高溫原油浸泡和攪拌72 h之后，取出小球用90 ℃熱水清洗，然后放入烘箱，設定在50 ℃下干燥24 h之后，分別采用數碼顯微鏡和相機進行拍照，表3是原樣和測試樣表面的數碼顯微鏡照片比較，表4是原樣和測試樣經過拉伸強度測試之后的外觀照片比較。

從表3可以看出，以植物硅膠材料的7、8、9號小球的測試樣已經明顯融化成膏狀，完全不適合做高溫原油換熱器的清洗小球。氟橡膠1號和氫化丁腈橡膠4號均為實心球，表面基本沒有什么變化，體現出較好的耐油、耐高溫和耐磨性能。氟橡膠2號和氫化丁腈橡膠3號和5號均為翼型球，表面體現出較多裂紋。氫化丁腈橡膠6號為空心球，出現裂紋居中。翼型和空心球由于比較容易變形，在攪拌過程中變形程度比實心球大，其耐磨性能較差。

從表4可以看出，由于以植物硅膠材料的7、8、9號小球的測試樣已經成膏狀，不再進行拉伸強度試驗。1-3號斷裂面比較整齊，4-6號斷裂面參差不齊，拉伸過程中其最大位移也相對較大。

2.2 小球強度變化

原樣和測試樣分別進行強度試驗之后，其拉伸強度和伸長率數據如表5所示。可以看出，1、2號氟橡膠小球原樣的拉伸強度基本相當，但測試樣的拉伸強度有很大不同，1號球測試樣的拉伸強度是原樣的2.12倍；伸長率也有很大不同，1號球測試樣的伸長率是原樣的1.84倍。2號球測試樣的拉伸強度為原樣的0.52倍；但測試樣和原樣的伸長率基本相當。

在3、4、5、6號氫化丁腈橡膠小球當中，4號實心球測試樣的拉伸強度為原樣的2.36倍，伸長率為原樣的1.43倍；3、5號翼型球測試樣的拉伸強度都比原樣小，其中3號球測試樣的伸長率也比原樣小，5號球測試樣的伸長率卻比原樣高；無論是原樣還是測試樣，空心球6號都體現出最大的伸長率。

7、8、9號小球原樣的拉伸強度最大的是實心球7號，而伸長率最大的是空心球9號。

綜合小球經過試驗前后的外觀變化及強度變化數據，二者基本吻合。試驗后產生較大裂紋的，拉伸強度也會減弱。經過高溫原油攪拌試驗，翼型小球性能減弱，實心球性能增強，空心球在伸長率方面表現最佳。

表4 原樣和測試樣經過拉伸強度測試之后的外觀照片對比

3 結論

氟橡膠和氫化丁腈橡膠的實心球均表現出較好的強度，可用于高溫原油換熱器。而植物硅膠的實心球雖然具有較好的強度、空心球雖然具有較好的伸長率，但都不能用于高溫原油換熱器。

氟橡膠小球和氫化丁腈橡膠小球的翼型球由于在高溫原油下強力攪拌摩擦之后，強度下降，體現出耐磨性能較差，因此也不適合高溫原油換熱器。氫化丁腈橡膠空心球在伸長率方面均有較好的性能，但本試驗發現有裂紋現象，因此需要調整空心球的空心體積比例，以改進其耐磨性能。

表5 清洗小球性能變化

［1］李會迪. 管殼式原油換熱器化學清洗試驗研究[D].大慶石油學院,2010.

［2］ Chao Shen, Chris Cirone, Liangcheng Yang, Yiqiang Jiang, Xinlei Wang. Characteristics of fouling development in shell-and-tube heat exchanger: Effects of velocity and installation location[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2014, 77: 439-448.

［3］Syed M. Zubair, Anwar K. Sheikh, Mohammed N. Shaik. A probabilistic approach to the maintenance of heat-transfer equipment subject to fouling[J]. Energy, 1992, 17(8):769-776.

［4］Dillip Kumar Mohanty, Pravin M. Singru. Use of C-factor for monitoring of fouling in a shell and tube heat exchanger[J]. Energy, 2011, 36:2899-2904.

［5］王徐影. 管殼式原油加熱器失效分析與改進[J]. 河北化工,2007(02):33+39.

［6］畢建成. 管殼式換熱器的污垢與對策[J]. 中國石油和化工標準與質量,2014(11):77.

［7］江村,黃健,劉彬. 一種可方便殼程清洗的管殼式換熱器[J]. 科技創新導報,2014(09):54-55.

［8］江鎮海. 自動除垢免清洗高效管殼式換熱器[J]. 化工裝備技術,2000(03):54.

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［10］吳同鋒,蔡曉君,劉湘晨,潘世超,王國華. 常用換熱器清洗技術及選用[J]. 化工機械,2016(03):268-271+356.

Study on Performance of Online Cleaning Balls for Shell and Tube Crude Oil Heat Exchangers

,,,,ZHU Jin-hui

（CNOOC Energy Conservation & Environmental Protection Service Co., Ltd., Tianjin 300452, China）

Shell and tube crude oil heat exchangers are widely used in petrochemical industry. Fouling in the heat exchanger tube will increase the thermal resistance, affect the heat transfer and reduce the economy. Therefore, the heat exchanger needs to be cleaned. In this paper, on-line cleaning balls for shell and tube crude oil heat exchanger were studied. 9 Kinds of small balls with different materials and shapes were placed in a high pressure reactor at 240℃with continue stirring for 72 h. After that, the digital microscope was used to carry out the apparent analysis, and the tensile strength and elongation tests were carried out with an electronic universal testing machine. The results show that the full balls of both viton and HNBR exhibit good tensile strength and elongation, so they can be used in high temperature crude oil heat exchangers.

Crude oil heat exchanger; Online cleaning; Small ball; Tensile strength

TQ 052

A

1671-0460（2017）10-1974-03

國家國際科技合作專項項目，項目號：2013DFG42440。

2017-07-30

閆肅（1972-），男，甘肅靜寧人，高級工程師，碩士，1998年畢業于撫順石油學院工業電氣自動化專業，2014年取得西南石油大學儀器儀表工程專業工程碩士，主要從事技術管理和節能環保技術的研究。E-mail：yansu@cnooc.com.cn。

朱金輝（1984-），男，江西撫州人，工程師，碩士，2012年畢業于河北工業大學動力工程專業，研究方向：從事高效換熱技術工作。E-mail：zhujh6@cnooc.com.cn。