換熱器管束腐蝕案例分析及預防

李雷磊

摘?要：換熱器屬于化工裝置中重要設備之一。換熱器管束因為壁厚薄的特點容易發(fā)生泄露，在設計換熱器時有效的規(guī)避腐蝕因素，最大限度保障換熱器長期正常使用是非常具有現(xiàn)實意義的。本文從一個具體案例進行分析，對管束設計需要考慮的因素進行闡述。

關(guān)鍵詞：換熱器;管束;防腐蝕

管殼式換熱器又稱列管式換熱器，是以封閉在殼體中管束的壁面作為傳熱面的間壁式換熱器。這種換熱器結(jié)構(gòu)較簡單，操作可靠，可用各種結(jié)構(gòu)材料（主要是金屬材料）制造，能在高溫、高壓下使用，是目前應用最廣的類型。換熱器是化工裝置中重要的設備之一。

換熱器工作原理是由管殼程中兩種不同介質(zhì)再在換熱管壁兩側(cè)進行流動，達到動態(tài)平衡來起到冷熱介質(zhì)熱量交換的作用。

常用的換熱管尺寸為Φ19x2和Φ25x2.5。常規(guī)化工設備，碳鋼設備腐蝕量取2mm到2.5mm，設備壁厚最薄取8mm，所以與其他化工設備相比較換熱管的壁厚特別薄，容易進行產(chǎn)生腐蝕穿透的現(xiàn)象。一旦換熱管發(fā)生腐蝕穿透現(xiàn)象，換熱器中壓力高側(cè)介質(zhì)會流入壓力低側(cè)介質(zhì)，破壞壓力平衡，物料平衡和溫度平衡狀態(tài)。介質(zhì)泄露會引發(fā)下游物料被摻混、催化劑中毒、計劃外停產(chǎn)檢修的事故。對于泄露的管束，一般無法進行更換，通常采用的維修方法為通過對殼程打壓的方式找出泄露的換熱管，將泄露的換熱管兩端用管堵堵住。堵住以后此換熱管封閉，換熱器面積會減小。當換熱器管熱面積小到無法滿足換熱性能要求，則需要更換換熱器。

案例：神華系統(tǒng)某工廠甲醇-凝結(jié)水換熱器1190-E1102A/B管束與管板自2017年4月份以來連續(xù)泄漏5次，泄漏頻率明顯提高，嚴重制約生產(chǎn)，烯烴中心申請質(zhì)量技術(shù)部委托設計院，對此換熱器的材質(zhì)和工況進行重新核準，核準此管板和管束材質(zhì)能否長期滿足此工況運行，如果材質(zhì)比較低，請給出升級后的材質(zhì)建議，便于中心立刻上報采購計劃，解決換熱器泄漏的難題。

一、換熱器目前的運行工況

管程：介質(zhì)凝結(jié)水，出入口工作溫度120/162℃，工作壓力0.3MPa。

殼程：介質(zhì)甲醇，出入口工作溫度76/100℃，工作壓力0.8MPa。

二、換熱器目前材質(zhì)

規(guī)格型號BJS1300-2.5-465-6/25-41，管板材質(zhì)16MnIII，換熱管材質(zhì)10#鋼，每臺管束共有1024根換熱管，4管程，單臺換熱面積為467.1平方，上下重疊式安裝。管程介質(zhì)凝結(jié)水，殼程介質(zhì)甲醇。

三、換熱器目前泄漏維修狀況

自2017年4月至今，共計檢修5次。累計A臺堵管70根，B臺堵管120根。其中B臺凝結(jié)水出口管程已經(jīng)堵漏1/3，對工藝生產(chǎn)造成重大影響，能耗增加。

案例分析：

（1）從腐蝕方面考量：本換熱器管殼程介質(zhì)為凝結(jié)水和甲醇，碳鋼材質(zhì)對此介質(zhì)均有良好內(nèi)腐蝕性，且從業(yè)主拍的換熱器截面圖片看，管束一側(cè)有較多的管子腐蝕，說明不屬于腐蝕導致管子泄露。如果是因為介質(zhì)腐蝕導致管子泄露，則會均勻的有泄露換熱管存在，不會集中在換熱器某一區(qū)域。

（2）從沖刷方面考量：本換熱器殼程流量為236842kg/h密度741.06～711.25kg/m3入口管為DN300，出口管線為兩個DN250。入口流量ρv2為1193.67kg（m.s2）因為殼程含有0.0015%酸值殼程介質(zhì)為有腐蝕液體，在流速ρv2>740kg/（m.s2）會產(chǎn)生沖刷腐蝕情況。

本設備殼程一個入口兩個出口，入口DN300，出口DN250。DN300管口流通截面積為0.07065m2，一個出口流通截面積為0.049m2，兩個出口流通截面積合計為0.098m2。在不介質(zhì)密度影響不大的狀態(tài)下殼程介質(zhì)由殼程入口進入換熱器，自設備出口流出時，換熱器出口截面積大于入口截面積，殼程介質(zhì)流體流速會更低一些。如果由于兩個出口由于配管等因素，壓力降不同會導致在此換熱器中殼程介質(zhì)會發(fā)生殼程流體流向壓力低側(cè)，即絕大部分殼程流體流向一端出口。則可能會在殼程出口處出現(xiàn)流速激增，加重沖刷腐蝕現(xiàn)象。

（3）從折流板方面考量：換熱器殼體內(nèi)有折流板以引導殼程流體在殼程中穿行。因為折流板與殼程流體垂直，且同一塊折流板有死區(qū)，有缺口，所以在殼程流體沖擊情況下會產(chǎn)生振動。換熱管穿過折流板但并沒有焊接，所以折流板如果發(fā)生振動，會對換熱管產(chǎn)生割鋸作用。如果折流板一端振動，振動區(qū)域附近換熱管均會受此影響。

換熱器管束腐蝕預防：在重新設計換熱器時，要采取相應措施規(guī)避上述風險。

（1）從換熱器結(jié)構(gòu)上采用一進一出方式，防止殼程流體偏向一側(cè)出口。

（2）出入口側(cè)均設置防沖擋板。以降低出入口流速太大對換熱管束的影響。

（3）增加定距管數(shù)量，盡量將定距管布置在折流板邊緣，增加折流板強度和剛度。降低折流板對換熱管的影響。

四、結(jié)語

合理設置換熱器結(jié)構(gòu)，規(guī)避不必要的腐蝕，決定著化工生產(chǎn)裝置長期穩(wěn)定的運行及安全的生產(chǎn)。換熱器作為化工生產(chǎn)裝置中重要部分，對換熱器結(jié)構(gòu)設計提出了特殊的要求。設計人員需要儲備扎實的基礎知識和豐富的工程經(jīng)驗，設計前充分考慮各種影響因素，設計出滿足長期運行的換熱器設備。