循環水冷卻器泄漏原因分析及解決對策

李 良

（中國石油遼陽石化分公司，遼寧遼陽 111003）

0 引言

在石油化工行業，水冷器泄漏問題普遍存在，原因多種多樣，包括設計、制造、安裝、運行操作、維護保養等多個方面，給泄漏故障的原因分析及整改措施的制定帶來了困難。

某廠循環水冷卻器于2018 年9 月投用，2019 年12 月即發生內漏。泄漏后車間對換熱器進行了解體檢查及打壓堵漏，對泄漏管頭部位進行了補焊處理。

1 設備及泄漏情況簡介

換熱器名稱為熱媒水冷卻器，為Ф1224 mm×8340 mm 固定管板式兩管程換熱器（位號：E102B），總計管數為1018 根，管束材料為S30408，管板為厚度55+4 mm 的16Mn（Ⅲ）+S30408復合鋼板，管程和殼程的工作參數見表1。

表1 換熱器管程和殼程的工作參數

2019 年12 月初，操作人員巡檢過程中發現熱媒水冷卻器E102A/B 運行過程中有異響，關閉殼程熱媒水出入口閥門，打開低排，發現殼程一直有水排出。對熱媒水冷卻器殼程內的熱媒水進行采樣分析，發現其電導率、總磷等指標遠高于熱媒水源頭來水處的分析結果，并且與循環水采樣分析結果接近。初步確定，該水冷器管束發生內漏，導致循環水泄漏至熱媒水中。隨后，車間對換熱器進行解體檢查、打壓堵漏，E102B 打壓堵管1 根、管頭補焊8 處，檢修后對管板進行了滲透檢測。

2 工藝流程簡介

該換熱器屬于余熱回收站系統設備，裝置自用熱單元來的熱媒水進入余熱回收站，經自清洗過濾器去除雜物、除油除鐵裝置旁濾去除水中油污和鐵質后，進入熱媒水冷卻器（E102A/B），采用循環冷卻水冷卻，采用氮氣經熱媒水定壓緩沖罐為循環系統定壓、補水，熱媒水壓力經熱媒水循環泵升壓后，送至各取熱單元取熱，取熱后的熱媒水回至余熱回收站內，進入熱媒水加熱器，采用蒸汽補熱后再送至各用熱單元放熱降溫，降溫后的熱媒水再回至余熱回收站循環使用。

3 設備解體檢查及處理

3.1 結垢情況檢查

換熱器管箱打開后進行外觀檢查發現：管箱內部及隔板處有較多生物黏垢，顏色呈紅褐色；循環水出水管板處結垢較為明顯，且存在生物黏泥；循環水進水管束內部結垢不明顯，循環水出水管束內部結垢較多（圖1、圖2）。

圖2 管板處結垢情況

3.2 換熱器高壓水清洗情況

為防止換熱器發生垢下腐蝕，對管箱及管束進行高壓水清洗。清洗用水采用循環水，且確保水中氯離子含量≤25 mg/L。清洗3 h 后，目視已無明顯結垢、清洗效果較好，然后用氮氣對管束進行徹底吹掃。

3.3 泄漏部位檢查情況

對換熱器管束進行打壓查漏，發現泄漏集中位于管板左上方及右上方（圖3）。該處換熱管與管板間焊縫處焊肉剝離脫落，從失效的一處有焊縫剝離的接頭處可以看出，換熱管端部明顯低于管板端面，焊縫根部存在未熔合現象，而且是單道焊（圖4）。而通過核對設備制造圖紙，圖紙上要求換熱管需伸出管板端面1.5～2.0 mm，現場實際與圖紙要求明顯不符。

圖3 管束泄漏部位

圖4 管頭處外觀

3.4 管板光譜分析

為核對管板材料，對換熱器兩端管板進行光譜分析。檢測結果顯示，Ni、Cr、Fe、Zn 和Mn 的含量分別為8.11%、18.01%、72.30%、0.14%和1.07%，確認管板表面材料為S30408，與設計及圖紙制造要求相符（圖5）。

圖5 光譜分析材料檢測

4 泄漏原因分析

（1）由于管束材料為S30408 不銹鋼，易因氯離子濃度超標發生應力腐蝕開裂。根據泄漏后車間對換熱器入口循環水采樣分析結果，氯離子濃度為0.20 mg/L，遠遠低于GB/T 50050—2017《工業循環冷卻水處理設計規范》中規定的“對于不銹鋼換熱設備，若水走管程，應保證氯離子含量不大于1000 mg/L”的要求。由此判斷，本次腐蝕不是由于氯離子濃度超標導致的不銹鋼應力腐蝕開裂。

（2）盡管換熱器拆解后發現有明顯結垢，但垢樣質地較軟，且垢樣去除后管板表面未發現有明顯蝕坑。高壓水清洗后，車間對管束內進行了內窺鏡檢查，發現管束內壁比較平滑、無明顯蝕坑。由此判斷，換熱器發生垢下腐蝕的概率也較小。

（3）泄漏部位位于管板邊緣，是換熱管與管板焊接質量最薄弱的部位。該部位焊接應力大，相比其他部位因存在結構突變，特別是管束部件焊接過程中兩側熔化、凝固速度有差異，焊接質量更不容易保證，同時極易產生殘余變形及殘余應力。另外，在焊接過程中固定管板結構會造成較大的焊接應力和變形，如果焊接順序不當，則管板較薄、剛性差，換熱管與管板間焊接更會造成管板變形，裂紋集中部位正是焊接應力和變形最大的部位。

（4）制造廠家未嚴格按照圖紙進行制造。根據圖紙的要求，換熱管端部要高于管板端面1.5～2.0 mm，且為45°角的焊縫連接形式。而實際換熱管與管板間是單道焊，且為平頭的焊接結構，部分換熱管端面甚至低于管板端面，焊縫根部存在未熔合現象。

（5）泄漏部位為殼程高溫熱媒水的入口和管程低溫循環水的出口交匯處，存在較大的溫差，設備運行過程中泄漏部位處熱應力最大，而固定管板結構抵抗熱變形能力差，容易因沖擊振動及溫度變化產生裂紋。

5 解決對策及建議

（1）從設備泄漏原因分析來看，該換熱器存在較大的再次泄漏隱患，不能滿足長周期運行的需求，建議更換備臺。

（2）建議將管板由復合管板結構改為整體S30408 材料結構，避免制造過程中焊接應力大可能造成的復合鋼板局部復層開裂問題。

（3）制造過程中注意施焊環境清潔，保證焊件金屬溫度不低于0 ℃，以避免產生焊接冷裂紋。所有焊接接頭采用多層焊，注意保證根部熔合質量。

（4）嚴格按照圖紙進行制造，建議換熱管端面要高于管板端面2.0 mm。

（5）加強工藝平穩操作，避免因工藝波動導致換熱器管束振動及溫差應力加大的情況發生。

（6）加強循環水質管理，調整循環水加藥量，以減少生物黏泥的生成；確保管程循環水流速不小于0.9 m/s，防止流速過低發生垢下腐蝕現象。