管壳式水冷器内漏的风险控制

PAGEPAGE4管壳式水冷器内漏的风险控制关庆贺1，肖昀斌2（1.辽阳石化公司机械厂，辽宁辽阳111003；2.辽阳石化公司生产监测部，辽宁辽阳111003）摘要：结合工程实际案例，从设计、制造及使用等环节对水冷器内漏的风险管理进行了论述。水冷器应从设计源头对其管束内漏进行控制，其次制造要符合《容规》要求。同时应关注使用过程的安全管理，尤其是对循环水质的监控与管理。关键词：水冷器；内漏；设计；制造；控制管壳式水冷器（以循环水为冷却介质的换热器，或管程走水或壳程走水）广泛应用于炼油与化工等行业[1]。其管束内漏不但损害热流体的品质（循环水进入热流体侧）或恶化冷却水质（热流体进入循环水侧），危害容器的本质安全，并且造成被动停工检修。水冷器的内漏失效即关系产品的质量，更关乎容器的本质安全，影响装置的安稳长满优运行。1设计的风险控制新《容规》要求压力容器设计应风险管理，以增强容器设计的可靠性保证容器的本质安全。要求容器设计基于失效模式进行，在设计阶段要全面分析容器在寿命期内可能出现的危害，通过危害识别、风险评价和风险控制来完成风险管理。对于水冷器内漏的设计风险管理则体现在管束泄漏的控制上[2]。1.1冷却器管接头泄漏压缩机后冷却器BES400-2.75/0.58-35-4/19-2型，技术特性见表1。表1设计参数项目设计压力/MPa设计温度/℃介质材料管程2.75200CH4换热管0Cr18Ni9管板16MnⅡ壳程0.5880H2O这是一典型的因设计选材不合理而影响管接头焊接质量所导致泄漏的案例。文献[3]对管接头焊后表面PT时发现的裂纹及管接头试压时发生的渗漏，从设计选材、制造焊接及使用成功案例等方面进行分析后给出控制管接头泄漏的建议：（1）此设计的换热管应改选0Cr18Ni9为10钢管，即有益传热，更有利焊接，尚可降低成本；（2）即使换热管选用0Cr18Ni9，设计也应从保证管接头的焊接质量考虑选用16MnⅡ管板管程侧复合或堆焊0Cr18Ni9；（3）使用成功案例表明，更为合理的设计是改压缩气走壳程而冷却水走管程，以利于碳钢管束（10钢换热管/16MnⅡ管板）的传热和防腐[4，5]。1.2冷却器换热管泄漏常压塔顶油气冷凝冷却器BJS900-1.6-220-6/25-2型，技术特性见表2。表2设计参数项目工作压力/MPa工作温度/℃介质材料管程0.4040冷却水换热管0Cr18Ni10Ti管板16MnⅡ壳程0.16120油气该案例为典型的18-8不锈钢H2S和Cl-应力腐蚀案例。文献[6]对引起管束严重泄漏的原因进行了分析，认为H2S和Cl-的应力腐蚀是造成奥氏体不锈钢管脆性断裂而导致管束泄漏的主要原因,并提出工艺防腐与材料防腐相结合的建议：（1）工艺防腐：对壳程介质在油气系统采用“一脱三注”（“一脱”指深度脱盐，“三注”即注水、注缓蚀剂和注中和剂），尚应对管程的冷却水处理，使用Cl-含量不超标的软化水；（2）材料防腐：采用奥氏体和铁素体各占50%的双相不锈钢；（3）控制换热管表面质量，并尽量降低残余应力。1.3成功案例某常减压装置加工俄罗斯原油，常顶后冷器BIU800-0.48/0.58-168-6/25-2型，技术特性见表3。表3设计参数项目设计压力/MPa设计温度/℃介质材料管程0.48100常顶油气换热管2205管板16MnⅣ+堆焊2205壳程0.5880循环水该设计选型BIU为合理，可避免案例2油气中湿H2S对浮头螺柱应力腐蚀导致的浮头泄漏[7]，同时大胆应用双相不锈钢并对2205U形管提出了氯化物和硫化物应力腐蚀试验的严格要求，有效防止了水冷器管束的H2S和Cl-双重应力腐蚀。从以上3个案例可知控制水冷器内漏需要注意3个方面问题。（1）控制水冷器管束内漏的风险应从工艺设计选型开始，根据被冷却介质的特性，合理选择水冷器的结构型式和介质流程，为水冷器机械设计提供条件。（2）水冷器的机械设计应注重管接头的焊接质量和换热管的耐蚀性能，合理选择管板与换热管材料，在应用碳钢管防腐涂层技术控制循环水均匀腐蚀的同时，尚应根据被冷却介质的局部腐蚀特性以大胆选用奥氏体和铁素体各占50%的双相不锈钢管较18-8型不锈钢管更为合理，并提出相应制造与检验要求。（3）借鉴成功的工程应用案例不但是控制水冷器内漏的捷径，而且尚能推广完善容器设计，保证容器的本质安全。2制造的风险控制《容规》要求容器制造应根据设计文件中的风险评估报告和施工图技术要求合理制订质量计划，使容器的制造质量符合设计要求的可靠性。对于水冷器管束制造的风险管理则体现在管束质量计划的控制上。2.1油冷器管接头泄漏油冷器BES800-0.5/1.0-170-6/25-2Ⅰ型，技术特性见表4。表4设计参数项目设计压力/MPa设计温度/℃介质材料管程0.5060冷却水换热管10管板Q345R壳程1.00130柴油油冷器在使用中管接头处发生多次泄漏，疑是制造中焊接质量问题。为此加强制造过程控制，严行见证质量计划。（1）换热管采购与验收控制：筛选合格采购资源，建立供方业绩档案；严格进厂验收程序，有锈蚀管拒收。（2）换热管存放与下料控制：换热管存放不锈蚀不污染；精确换热管下料尺寸，管端金属光泽处理。（3）管板管孔加工控制：完善加工工艺，确保管孔的粗糙度、尺寸偏差、尤其是坡口倒角符合图样或工艺要求，并清除端面油污及铁屑。（4）管接头焊接控制：完善管接头强度焊的工艺评定，确保焊脚高度符合设计要求，并严格按焊接工艺施焊。（5）合理衔接管头光泽处理、管板管孔加工与管束组装焊接间工序以避免再锈蚀。建议增加贴胀，并完善贴胀工艺评定及工艺，切实贴胀到位。2.2硝酸液冷却器换热管泄漏硝酸液冷却器BEM1200-0.7/0.8-355-4.5/25-8型，技术特性见表5。表5设计参数项目设计压力/MPa设计温度/℃介质材料管程0.7060循环水换热管00Cr19Ni10管板00Cr19Ni10壳程0.807525%硝酸硝酸液冷却器使用不到1个月漏管30根，对换热管化学成分分析发现虽符合GB13296所列项目指标，但却比标准多出Cu含量高达0.77%。后经重新制造1台，换热管按GB13296采购化学成分不含Cu，使用结果安全。文献[8]指出：Cu会降低铬镍奥氏体不锈钢的耐点蚀和耐应力腐蚀的性能，文献[9]则得出：TP304H不锈钢管的Cu含量偏高也易使焊缝产生沿晶裂纹。所以，304系钢管中的Cu既不益于耐蚀性能又不利于管接头的焊接质量。该案例表明，制造应加强材料采购与验收环节的控制，对不锈钢材料要按标准进行化学成分的进厂复验。在制造上控制水冷器质量需注意3个问题。（1）严格按设计要求制订并见证质量计划，注重材料、加工和焊接环节的控制。（2）换热管严格按设计标准要求采购并验收，见证管接头坡口尺寸加工偏差及除锈清污处理。（3）见证确认管接头强度焊的工艺评定，确保焊脚高度符合设计要求，并严格按焊接工艺施焊。3使用的风险控制容器使用要根据设计风险评估报告中的失效模式及其风险控制措施，有的放矢地日常检查与保养维护，使容器使用处于完好状态。对于水冷器使用的风险管理则体现在循环水质及日常操作的控制上。3.1换热管泄漏油冷器BEM800-0.6/1.0-229-5/19-2Ⅰ型，技术特性见表6。表6设计参数项目设计压力/MPa设计温度/℃介质材料管程0.60110冷却水换热管20壳程1.00200导热油管板16MnR文献[10]通过现场检查及实验室检测对投入使用不到一年的油冷器换热管腐蚀泄漏进行了分析，得出换热管泄漏的原因是冷却水对换热管材料的腐蚀引起的：含饱和氧的冷却水对碳钢产生氧去极化的电化学腐蚀；在水垢与锈垢形成后，若垢层与换热管内壁形成0.1～0.3mm的缝隙，则缝隙下的金属会受到垢下腐蚀，而垢下腐蚀对金属材料的穿进速度大，形成凹坑以至穿孔。3.2炼油厂水冷器内漏文献[5]对某炼油厂300多台管壳式水冷器（多为碳钢、水走管程）因循环水改用部分污水处理后的回用水（中水）为补水导致使用一年管束频繁泄漏多达31台（改用前每年仅10台）的腐蚀状况和原因作了详细论述，认为是循环水水质不良造成的氧浓差腐蚀、垢下腐蚀、粘泥腐蚀等致使管接头和换热管泄漏；而循环水流量不足或通过水冷器上的阀门调节循环水流速来控制工艺指标的不当操作使得管内循环水流速过低而导致换热管内壁结垢，所造成的垢下腐蚀也不容忽视；另外尚有φ19换热管与管板强度焊+强度胀的管接头使用中出现裂纹造成泄漏等等。由此给出管束腐蚀泄漏的控制措施：（1）对管束防腐处理，采用管内防腐涂层及后期的阴极保护；（2）正确使用水冷器，严禁采取调节水冷器入/出口阀门来控制工艺指标，应及时调整水冷器的运行参数，做好循环水温度和流速控制；（3）加强循环水场管理，强化循环水场的杀菌灭藻和过滤净化工作；（4）建议管束建造时，对低压和温度不高的工况下φ19换热管与管板的管接头不必采用强度焊+强度胀，并且水冷器尽量不选用φ19换热管。在使用上控制水冷器内漏需注意3个问题。（1）根据水冷器的设计要求，制订并执行安全操作规程，正确使用水冷器，有的放矢进行巡检，做好循环水温度和流速的控制，探索掌握长周期运行规律。（2）保持循环水系统监测与考核的常态化[11]，通过监测循环水场的水质污染，排查出水冷器的泄漏，及时修理堵漏并查明原因，强化循环水质达标。（3）健全水冷器的管理档案，完善水冷器的运行、检修及更换记录，为备台建造的设计改进积累经验提供建议。4结束语（1）设计上，应注重换热管的选择与防腐层的应用。对于水走管程的BEM或BES型碳钢管束，应推广使用管内防腐涂层技术；对于有应力腐蚀的热流体走管程的BIU型不锈钢管束，则应大胆使用双相不锈钢换热管以抗应力腐蚀；同时要求管接头为强度焊+贴胀。（2）制造上，应注重换热管的使用与管接头的施工。筛选换热管供应商，与专业防腐合作，确保换热管耐腐蚀的可靠性；见证质量计划，完善管接头的制造工艺并检验到位，确保管接头连接的可靠性。（3）使用上，应注重循环水的处理与水冷器的操作。力争水质达到软化水标准，做好水冷器的水温和流速控制，并定期除垢处理。参考文献：[1]国家标准化委员会.GB151-1999管壳式换热器[S].北京：中国标准出版社，1999：47-51.[2]国家标准化委员会.TSGR0004-2009固定式压力容器安全技术监察规程[S].北京：中国标准出版社，2009：26-29.[3]张光等.关于压缩机后冷却器管束材料选择的讨论[J]石油化工设备技术,2010,31(2):58-60.[4]江飞飞.关于空气压缩机后冷却器流程选择的探讨[J].石油化工设备技术,2005,26(4):30-32.[5]王巍.炼油厂冷却器的腐蚀与对策[J].石油化工设备技术,2000,21(3):43-46.[6]李冰.奥氏体不锈钢换热管脆性断裂原因浅析[J].全面腐蚀控制,2006,20(3):21-23.[7]金杰等.浮头式热交换器管板紧固螺栓应力腐蚀失效分析[J].腐蚀与防护,1997,18(4):29-30.[8]陆世英.不锈钢[M].北京：原子能出版社，1995：13-15.[9]李天彪等.不锈钢管裂纹情况分析[J]锅炉制造,2007,203(1)：49-51.[10]陈志刚.油冷却器换热管泄漏原因分析[J]压力容器,2002,19(4)：36-39.[11]孙家孔.石油化工装置设备腐蚀与防护手册[M].北京：中国石化出版社，1996：29-32.作者简介：关庆贺，男，工程师，2006年毕业于沈阳化工学院机械设计制造及自动化专业，现从事压力容器制造工作。InsidethetubeshelltypewatercoolerleakageofriskmanagementGUANQing-he1，XIAOYun-bin21.PetrochinaLiaoyangPetrochemicalCompanyMachineryFactory，Liaoyang111003，China；2.PetrochinaLiaoyangPetrochemicalCompanyProductmonitoringdepartment，Liaoyang111003，ChinaAbstract:thetubeshelltypewatercoolerarewidelyusedinoilrefiningandchemicalindustry,etc.Thecontrolofleakageriskhasbeenplaguedbysafefullofoptimaloperationofoilrefiningandpetrochemicalplants,thathasbecomethebottleneckofrefiningunit4yearsafix.Combinedwiththeengineeringapplicationcases,discussedfromthedesign,manufactureanduseofwatercoolerleakageriskmanagement,wethinkwatercoolermustfirsttocontrolitsbundle