橫管式煤氣初冷器快速更換換熱管束的實踐

孫峰

(河鋼集團張宣科技能源公司，河北 宣化 075100)

0 概述

橫管式煤氣初冷器是焦爐煤氣凈化過程中的對煤氣進行降溫的重要設備，焦爐輸送來的650 ℃高溫煤氣經過循環氨水在集氣管噴灑降溫至80 ℃，此溫度下焦爐煤氣內含有大量水分及焦油、萘等雜質，且煤氣體積較大，不利于輸送。初冷器的作用就是將80 ℃的焦爐煤氣冷卻至20 ℃的同時將煤氣中的大部分焦油、萘等雜質進行分離，同時減少煤氣體積，其工況的好壞對后序工藝及設備(電捕焦油器、洗滌塔、吸氣機)都有直接影響。在初冷器運行過程中，焦爐煤氣從頂部進入，底部流出，在換熱管的管間流動，低溫循環水從初冷器底部進入，頂部流出，在換熱器管內流動，低溫循環水與焦爐煤氣為間接傳熱。焦爐煤氣中由于含有硫、氨等腐蝕性介質，換熱管長時間與焦爐煤氣接觸，導致換熱管腐蝕泄漏，泄漏后管內流動的低溫循環水隨著初冷器內部冷卻下來的焦油氨水進入后續工段，造成后續工段處理負荷量加大[1]。少量泄漏一般采用換熱管封堵的方法，對整臺初冷器的的運行影響不大，但當換熱管的泄漏數量達到一定數量時，由于換熱面積減少，導致初冷器后煤氣溫度高，影響整個化產系統的穩定進行，此時就應停產對所有換熱管進行更換。張宣科技能源公司凈化系統共有三臺初冷器運行，運行方式為兩用一備，隨著多年運行，換熱管不間斷的出現泄漏，換熱效率逐步下降。為保證煤氣冷卻效果，初冷器由兩用一備改為三臺同時運行，經過對內部換熱管束進行檢測，發現換熱管不但整體腐蝕嚴重，且外壁粘接了一層薄的焦油層，嚴重影響換熱效果，鑒于此種情況決定對初冷器內部換熱管進行全部更換。

1 初冷器換熱管更換存在的問題

1.1 初冷器主要結構

橫管式煤氣初冷器長3 570 mm、寬2 750 mm、高26 600 mm，換熱面積3 700 m2、凈重152 t、換熱器內部管程工作壓力為0.65 MPa、介質為循環水、換熱管為51×3 mm無縫鋼管、材質為20#鋼、每根長3 615 mm、總計6 471 根；同根換熱管的管板孔不在一直線上，相錯189 mm、管斜為2.4°，換熱管與管板為脹接。設備殼程為鋼板拼焊而成，管板厚18 mm、材質為Q235B；殼程工作壓力±0.0 3 MPa、介質為焦爐煤氣及焦油氨水冷凝液；管箱共75件，為半圓筒形鋼板拼焊結構；管箱法蘭與管板用螺栓連接，采用8 mm厚的橡膠墊對管板與管箱進行密封，初冷器頂部、底部各有一個人孔[2]。

1.2 舊換熱管拆除問題

常規的換熱管更換方式為施工人員從初冷器外部拆除換熱管，由于換熱管較長且連接方式為脹接，需從管板一端使用千斤頂將換熱管束從另一端頂出，然后人工取出換熱管[3]。由于初冷器高度較高且外壁沒有任何支撐點及受力點，施工過程中需將初冷器四周全部搭設腳手架，拆除換熱管周期近一個月時間。

1.3 新換熱管安裝的問題

安裝換熱管時，采用方式為從管板的一端穿裝換熱管，由于同根換熱管的管板孔不在一直線上，造成換熱管很難準確地與管板另一端的管孔連接，需要施工人員不斷進行嘗試。由于換熱管為20#無縫鋼管，安裝換熱管前需要采用焦爐煤氣對換熱管的兩端進行烘烤退火(退火長度比對應管板的厚度長80～100 mm，當管端顏色達到橘紅色后進行空冷卻，最后對換熱管的兩端進行拋光處理)，換熱管更換的效率不高，安裝換熱管周期近三個月時間[4]。

1.4 檢修周期的問題

能源公司共有三臺初冷器，一臺初冷器從停用開始需要經歷清洗、插盲板、搭設腳手架、拆除管束、安裝新管束、拆除腳手架、抽盲板、投用等過程，整個周期至少四個月時間。初冷器作為焦爐煤氣凈化系統的頭道工序，主要作用就是降低焦爐煤氣溫度，為后續系統正常運行創造條件，檢修過程中如果另外兩臺初冷器出現異常，將會導致焦爐及化產系統整體出現停工情況的發生。

2 初冷器換熱管更換技術創新

針對上述檢修過程中存在的問題，技術人員經過多輪分析論證，制定了在初冷器內部進行換熱管更換的方案，首先對初冷器內部進行徹底清理，將初冷器連接的各種管路全部插盲板，在具備施工人員進入檢修的前提下，施工人員從內部拆除換熱管，從頂層自上而下開始作業，對內部管束采用手動切割機作業，由于施工人員站在管束上部作業，施工安全快速且大大降低換熱管拆除的勞動強度。安裝換熱管時，施工人員進入初冷器內部，從底層自下而上作業，在初冷器內部與初冷器外部施工人員配合，快速準確地使換熱管與兩端管孔連接，大大提高了施工效率，一層管板管束全部連接完畢后，采用集中脹接的方式，避免管板變形情況的發生[5]。為了縮短施工周期，將初冷器換熱管由10#無縫鋼管替換為20#無縫鋼管，10#、20#都屬于低碳鋼，相互比較來說，10#鋼的強度和硬度比20#要低，但10#鋼的塑性和韌性比20#要好，采用10#無縫鋼管，由于塑性和韌性增加，可以不用進行退火作業，直接進行脹接作業，同時10#鋼的強度和硬度也能滿足初冷器日常使用需求，提高施工質量的同時還能有效縮短施工周期。

3 初冷器換熱管更換技術過程創新

3.1 前期準備

對初冷器煤氣、循環水出入口管插盲板，避免初冷器檢修過程中出現煤氣、循環水泄漏；對初冷器用焦油氨水混合液、氨水、蒸汽反復進行清洗，確保初冷器內換熱管外壁沉積的焦油清理干凈。為保證初冷器清洗的效果，最后采用高溫軟水和高溫蒸汽進行清洗，直至清洗完畢后的軟水顏色為日常顏色時停止。清洗完畢后對焦油氨水混合液、氨水、蒸汽、初冷器排液管道插盲板，確保與初冷器生產有關的工藝介質全部隔斷[6]。打開初冷器底部及頂部人孔用軸流風機進行強制機械通風，直至經過檢測具備檢修條件后開始進行檢修作業，檢修作業前底部通風機一直往初冷器內部通入新鮮空氣，保證通風壓力，避免過大及過小，同時在初冷器頂部通入消防水，避免內部作業時出現意外情況。

3.2 拆管箱蓋

自上而下逐層打開管箱蓋，在初冷器頂部安裝卷揚機，用卷揚機將拆除下來的管箱蓋放置在地面上，對每層管箱蓋進行編號，確保安裝時管箱蓋安裝在同一位置；對放置在地面管箱蓋進行壁厚檢測及防腐處理；對管箱蓋薄弱位置進行局部挖補處理；對管箱蓋取下的螺栓螺母用油浸泡清洗后，放置于工具箱內進行再次利用。

3.3 拆除換熱管

換熱管拆卸時，人員從初冷器頂部人孔進入，自上而下對內部管束用切割機進行切斷，每根換熱管割為三段，切割部位離管板長度為200～300 mm，以便在管板上脹接的換熱管輕輕敲出，抽出管頭時，不得碰撞或劃傷管孔內壁[7]。并在初冷器側板每隔3 m開DN80圓孔，以方便內部換熱管的拆卸及安裝。采用切割機作業：一是切割機產生的火花溫度較低，管束外壁即使沒有清理干凈的焦油干渣，也不會引燃，確保施工安全；二是避免氣割留量部位離管板距離較近，溫度過高，將管板退火。

初冷器周邊平臺空間狹小，為將拆除下來的換熱管及時從初冷器平臺運走，采用DN80的長管道，通過電焊的方式固定在初冷器的框架上，分上下兩個部位分別固定，為了增加穩固性，在中間部位也增加固定點。DN80管道上方的入口位置位于作業面部位，DN80管道下方的出口部位距離地面3 m，拆除下來的換熱管束直接放入DN80管道，順著DN80管道直接降落到地面。為了保護地面，在DN80管道下方的出口部位正下方加沙子墊層，在沙子墊層上面鋪設10 mm厚的鋼板，采用此方法大大降低了施工人員勞動強度。

3.4 管道脹接

換熱管安裝前，先對管板的孔壁及換熱管進行檢查，管板孔壁如果存在缺陷，則先要用焊接的方法將管板孔填平，再用內圓磨光機修磨[8]。換熱管確保長度合格、無裂紋、管端損壞等缺陷。安裝換熱管前，提前用內圓磨頭對孔壁拋光，換熱管自初冷器下部至上部對接進行安裝，管束自管板孔外壁進入，初冷器內部人員將換熱器管安裝在管板另一側，方便快捷。一層安裝完畢后，外部人員進行脹管作業，將脹管時將脹管器的圓柱部分塞入管孔內，利用外部作用力旋轉心軸，通過滾子沿心軸軸向旋轉，使心軸擠入管內面并強迫管子擴大，達到一定的脹緊度，使管子緊緊脹接于管板孔上，脹管操作采用先中后側、階梯花脹的方式，確保管板強度。

3.5 氣密性打壓

初冷器換熱管全部更換完畢后，進行氣密性檢測，目的是檢測各脹接部位是否發生泄漏。將初冷器的所有與外部連接的部位封閉，在底部初冷器掃汽管路內通入氮氣并加裝壓力表，確保氮氣壓力為初冷器正常工作壓力的1.2倍，壓力穩定后首先保壓2 h，觀察初冷器有無變形缺陷情況的發生，沒有變形說明強度足夠。隨后對管板脹接部位刷肥皂水，觀察是否有氣泡冒出，冒氣泡說明該處脹接不合格，立即補脹，然后再刷肥皂水檢查，直到所有的脹接部位合格[9]。

3.6 安裝管箱蓋

對管箱蓋安裝時，根據管箱尺寸規格制作耐腐蝕天然橡膠墊片，制作出的橡膠墊片不得有裂紋、凹坑，對合緩慢，壓平墊片。為避免管箱蓋安裝時橡膠墊片出現剮蹭錯位情況的發生，在管箱與橡膠墊片之間刷一層膠，對角交叉緊固螺栓螺母。

3.7 拆除盲板

拆除閥門盲板時，先要檢查閥門前面的煤氣和冷凝液含量，配備必要的消防安全設施，施工人員佩戴空氣呼吸器進行作業，防止中毒和引燃。盲板取出后，重新更換金屬新墊片，為避免金屬墊片腐蝕，在金屬墊片外邊均勻纏繞四氟帶，同時緊固螺栓螺母，最后檢測無煤氣和冷凝液泄漏。

3.8 注意的事項

初冷器在抽插盲板過程中，由于煤氣截門中存在焦油渣等雜質導致截門不嚴的問題，在進行抽插盲板作業時存在煤氣泄漏事故，施工作業過程中連續檢測煤氣濃度，使用銅質工具作業，確保安全作業。在舊換熱管拆除和新換熱管安裝的過程中，初冷器內部與外部施工人員必須密切配合，在初冷器平臺進行舊管輸送作業時，確保作業下方無人員，現場安排好人員進行警戒，防止施工人員被滑落的換熱管砸傷事故[10]。

初冷器在管束更換的過程中，發現初冷器上層管束內部存在鈣鎂結垢的情況，不但使管束換熱效率低，還導致換熱器內部管束通道變小，增大初冷器整體內部循環水的流動的阻力。經過分析造成管束內部結垢的主要原因是循環水壓力低，循環水經過泵輸送至初冷器頂端時動能降低造成流速減慢，且初冷器頂部煤氣溫度最高，造成循環水內部鈣鎂離子受到高溫析出。另一方面的原因是循環水的冷卻采用敞開式系統，水在循環過程中與空氣接觸而不斷蒸發損失，水中的礦物質和離子含量因濃縮而濃度升高。為杜絕上述情況發生，新增開一臺循環水泵，增加循環水系統壓力，將循環水出口壓力由0.35 MPa增加至0.45 MPa，在循環水管路上增加在線電導率監測儀表，對水中礦物質和離子濃度進行監測，適當的補水和排水來保持水系統水質穩定及水量平衡。

4 結語

初冷器換熱管全部更換完畢后，煤氣溫度顯著降低，原來三臺換熱器達到的效果，現在只需要兩臺，實現了初冷器的兩用一備，大大提高了整個煤氣凈化系統的可操作性。采用從初冷器內部拆除換熱管的方案，提高了安全系數、工程質量。采用10#無縫鋼管替