原油处理系统脱水换热器技术问题分析及对策

原油处理系统脱水换热器技术问题分析及对策

热媒技术特点菊岛中心2号平台位于滨水25区的主体部分。它每年负责150万吨原油的预处理和输出工艺。原油、天然气分离和外部原油输送对原油温度有严格的要求。该平台原油加热使用的热媒换热系统主要由3台GL4700C—DY/1.6—QCY型热媒加热炉、4台热媒泵、1个10m3热媒膨胀罐、2台原油换热器、1台外输换热器和1台热水换热器组成。系统传热介质为T-55导热油,原油走壳程,热媒油走管程。与其它原油加热方式相比,热媒换热技术具有以下优点:①热媒炉的热效率可达90%以上;②自动化程度高,包括自动点火控制系统、自动超温控制系统、自动流量控制系统及燃烧器自动吹灭系统等;③安全性能好,先进的热媒炉可通过DCS集散控制实现与总控制室的远程控制,一般可以安全运行10年以上,可实现无人职守;④运行过程中安全、可靠,其运行费用较一般的热炉低;⑤该系统热效率高,占地面积小,可直接使用分离出的天然气作燃料,更好地满足海上生产的需要。热媒换热系统存在的问题埕岛中心二号平台热媒系统于1998年正式启运,该热媒换热器属于折流板管壳式换热器中的一种类型。在装置工艺性能方面暴露出一些问题,特别是在耐冲击、抗振动方面比较突出,多次因换热管与管板焊缝开裂而造成热媒油渗漏而返厂更新。为此,笔者从实际应用中的失效形式入手,深入开展研究,分析出造成换热器产生焊口裂缝的原因,主要有以下几种。1.管束冲击产生的主要机理热媒换热器的结构设计是针对稳定介质,除管板焊接处以外,其内部换热管均处在无支撑的自然状态下,使内部换热管不具备抵抗冲击的能力。而实际上,进入换热器的流体为原油、水、天然气的混合物,当原油从管道中流入换热器时,混合流体因体积变大,压力降低,导致大量天然气从流体中析出,对换热器产生较大的冲击力。冲击力直接作用在支撑较少的管束上,管束再将振动传到管束与管板的焊缝上,这样长期对管束与管板之间焊缝的冲击就会造成焊缝因疲劳等原因而产生裂纹。在振动引起的交变应力作用下,位于主应力方向上的裂纹迅速扩展,从而最终导致管束疲劳失效,是产生事故的根本原因。2.径流换热器速度速度原油中含有SO2、H2S等成分,具有很强的腐蚀性,并且原油在流经换热器时的速度较高,进一步加剧了换热器因腐蚀和磨蚀所造成的破坏。在对一些换热器解体过程中,可以很明显地观察到换热管与管板存在较严重腐蚀和磨蚀,少数换热管已经严重变形,无法使用。3.产生焊接缺陷热媒换热器在焊接时所采用方法为常规焊接,在焊接时存在以下主要问题:①产生焊接缺陷如烧穿或未焊透;②焊接接头处产生热应力,引起应力腐蚀;③管子与管板孔之间存在间隙,壳程介质进入到间隙之中,引起缝隙腐蚀;④焊接不锈钢材料时,容易在热影响区造成金相组织的改变,使耐蚀性骤降。4.高温积碳层的形成过程热媒系统中采用的传热介质为T-55导热油,主要成分为多环芳烃、醇、石油馏分。在长期高温使用过程中,导热油会逐渐产生热裂解、热老化。初期生成的高碳聚合物易沉积在炉体、管道内壁,时间一长将会逐步形成中温积碳层,致使导热油的粘度、残碳量增加,从而加快其裂解老化过程,如此循环,最终将形成坚硬致密的高温积碳层,即结垢。一旦结垢,将大大降低热传导效率,加速导热油的老化失效,导致换热器工况变差,影响换热器使用寿命,同时还会使调节阀控制能力下降,流量计灵敏度降低,增加了因故障而停炉的几率。5.设备内部活性炭结胶岩热媒系统中由于热媒换热器刺漏,膨胀罐无隔氧措施等因素影响,容易使导热油氧化变质,降低了热传导效率,也容易引起设备内部碳化结胶。通过对T-55导热油取样化验,所得到结果如表1所示。表1中的中和值表示中和1g物质所消耗氢氧化钾的质量读法(毫克氢氧化钾每克)。由表1可以看出油样的中和值、丙酮不溶物、高沸物等物性指数均超出行动指标,导热油存在着严重的氧化和过热问题。性能得到了显著改进针对热媒换热器存在的运行缺陷,采取了多种技术措施,对换热器的运行管理和工艺结构进行了优化改进,使换热器的工作性能得到了很大提高。1.对管束与管焊缝的冲击(1)改变流速的减振措施为了减小因流速的变化而引起的冲击,大修时在原油入口腔体内增加1个导流筒,在换热器内形成一个缓冲腔,在导流筒上分布着形状各异的导流孔,当原油进入换热器后先进入缓冲腔,在缓冲腔内,换热器筒体和缓冲导流筒将吸收因流速的变化而引起的冲击能量的大部分,经过缓冲的原油液体通过导流孔流进换热腔与热媒进行换热,原油通过这一过程将大大地减少振动,从而减轻振动对管束与管焊缝的冲击,达到延长换热器使用寿命的目的。(2)增加管束阻尼系数在换热器的制造过程中为了防止翅片管的相互嵌入,在每1根翅片管上均套上了由2mm厚的钢板煨制的防嵌支撑圈,在没有振动的工况下,可以满足一般的工艺要求,但是,在目前的工艺情况下,无法满足工艺要求。为了将振动降至最低,大修时,采取了2种支撑形式,一是采取部分钢质支撑圈用于保持翅片管的相互位置;二是再增加一部分耐温软质支撑圈,要求材质具有一定的耐温能力和一定的硬度和柔韧性,起到吸收振动的作用。(3)增加边侧支撑板的强度在正常的工况下,换热器的边侧折流支撑板足以满足工艺的使用要求;但是,目前的原油工艺条件产生了较大的振动,在振波的冲击下,造成换热器筒体和悬浮的管束产生不同的振幅,换热管与管板之间的焊缝在不同的振幅作用下产生撕裂的缺陷是不可避免的。如何加强管束的整体刚性,促使换热器筒体和悬浮的管束保持相同的振动是避免换热管与管板之间的焊缝撕裂的有效手段。为了装配的需要,原厂换热器的边侧折流支撑板与筒体之间的间隙约为10～30mm,为了增强筒体与管束的一致性,必需减小边侧折流支撑板与筒体之间的间隙,这样,可大大地促使换热器筒体和悬浮的管束保持相同的振幅,将作用在换热管与管板之间焊缝的作用力降至最低,以延长换热器的使用寿命。2.角型焊接结构的确定笔者还对施工中的焊接工艺做了如下技术改造:①打磨管端防止结点污染,控制焊接过程不发生烧穿或未焊透等缺陷;②将单面焊接改为双面焊,要求每根换热管与管板连接的两侧均焊接,焊接方法采用氩弧焊,焊角高为2mm;③变管板与管束前端的平齐焊接结构为管束伸出一定长度的角型焊接结构;④制造专用的工装将管束与管板由平放位置改为立放状态,变换热管与管板前侧的垂直焊接形式为水平焊接形式,以达到角焊接的焊接要求,改造前后焊接方式对比见图1。3.清洗工艺及设备经认真分析设备现状及结垢情况,对热媒炉盘管和换热器的管束进行定期清洗,每年1次。根据取样化验分析,炉内结垢主要成分为:积碳、焦油、胶性物、硫化物及其酚类等。针对结垢成分和热煤炉现状,笔者对清洗药剂、工艺过程都进行了详细优化。其中具体清洗工艺包括:①水冲洗,冲掉设备内部松软污物,同时检测所有流程有无渗漏;②脱脂处理,清洗污垢表面导热油,并对油污进行疏松软化,为下步除垢清洗作好准备;③清除结垢,通过一系列化学药剂彻底清除设备内部形成的各种碳垢、锈蚀以及其它污物,并采用清水冲洗至出