换热器在石油、化工中应用及维护

【摘 要】在石油化工生产中，由于工艺的需要，在流程中往往存在着各种不同的换热过程，换热器就是用来进行热传递过程的设备。它可以使热量从温度较高的流体传递给温度较低的流体，以满足工艺的需要。换热器的稳定运行在工艺生产中起着相当重要的作用，一旦泄漏会严重影响工艺生产，造成两种流体混合，导致不安全因素的产生。本文主要探讨炼油化工设备换热器的安稳、长周期运行问题。

【关键词】换热器在石油；化工中应用的种类；泄漏及清洗

为了适用于不同介质、不同工况、不同温度、不同压力的换热器，结构型式也不同，换热器的具体分类如下：

1 换热器按传热原理分类

（1）表面式换热器，表面式换热器是温度不同的两种流体在被壁面分开的空间里流动，通过壁面的导热和流体在壁表面对流，两种流体之间进行换热。表面式换热器有管壳式、套管式和其他型式的换热器。

（2）蓄热式换热器，蓄热式换热器通过固体物质构成的蓄热体，把热量从高温流体传递给低温流体，热介质先通过加热固体物质达到一定温度后，冷介质再通过固体物质被加热，使之达到热量传递的目的。蓄热式换热器有旋转式、阀门切换式等。

（3）流体连接间接式换热器，流体连接间接式换热器，是把两个表面式换热器由在其中循环的热载体连接起来的换热器，热载体在高温流体换热器和低温流体之间循环，在高温流体接受热量，把热量释放给低温流体。

（4）直接接触式换热器，直接接触式换热器是两种流体直接接触进行换热的设备，例如冷水塔、气体冷凝器等。

2 换热器按用途分类

（1）加热器，加热器是把流体加热到必要的温度，但加热流体没有发生相的变化。

（2）预热器，预热器预先加热流体，为工序操作提供标准的工艺参数。

（3）过热器，过热器用于把流体（工艺气或蒸汽）加热到过热状态。

（4）蒸发器，蒸发器用于加热流体，达到沸点以上温度，使其流体蒸发，一般有相的变化。

3 按换热器的结构分类

可分为：浮头式换热器、固定管板式换热器、U形管板换热器、板式换热器等。

3.1 注意事项

（1）保持管网的清洁，无论是在工作前还是工作完成后，我们都必须对管网中进行清洁处理，这样做的目的是为了避免发生换热器堵塞的现象。还要注意及时对除污器以及过滤器的清洗，让整个工作顺利完成。

（2）严重把关软化水，对于任何一种水质把关，这一点是相当重要，在进行对软化水水质处理的前提下，首先要认真检查系统中的水和软化罐水质问题，如果确定合格就可以进行注入处理。

（3）新系统检验，对于一些新系统来说，不能马上与换热器进行交替使用，首先需把新的系统在指定的时间段运行，让它有了一个运行模式后，此时方可以把换热器并入系统中使用，这样做的目的完全是为了避免管网中的杂质破坏换热器设备。

换热器随着经济的发展，各种不同型式和种类的换热器发展很快，新结构、新材料的换热器不断涌现。为了适应发展的需要，中国对某些种类的换热器已经建立了标准，形成了系列。完善的换热器在设计或选型时应满足以下基本要求：

（1）合理地实现所规定的工艺条件；

（2）结构安全可靠；

（3）便于制造、安装、操作和维修；

（4）经济上合理。

目前我们石油、化工行业用的最多的是：浮头式换热器，浮头式换热器的一端管板与壳体固定，而另一端的管板可在壳体内自由浮动，壳体和管束对膨胀是自由的，故当两种介质的温差较大时，管束和壳体之间不产生温差应力。浮头端设计成可拆结构，使管束能容易的插入或抽出壳体（也可设计成不可拆的）。这样为检修、清洗提供了方便。但该换热器结构较复杂，而且浮动端小盖在操作时无法知道泄露情况。因此在安装时要特别注意其密封。

浮头换热器的浮头部分结构，按不同的要求可设计成各种形式，除必须考虑管束能在设备内自由移动外，还必须考虑到浮头部分的检修、安装和清洗的方便。

浮头式换热器结构如下：

1.壳盖；2.固定管板；3.隔板；4.浮头钩圈法兰5.浮动管板6.浮头盖

钩圈对保证浮头端的密封、防止介质间的串漏起着重要作用。随着浮头式换热器的设计、制造技术的发展，以及长期以来使用经验的积累，钩圈的结构形式也得到了不段的改进和完善。钩圈一般都为对开式结构，要求密封可靠，结构简单、紧凑、便于制造和拆装方便。

浮头式换热器以其高度的可靠性和广泛的适应性，在长期使用过程中积累了丰富的经验。尽管受到不断涌现的新型换热器的挑战，但反过来也不断促进了自身的发展。故迄今为止在各种换热器中扔占主导地位。

3.2 泄漏

目前，虽然换热器得到了广泛的应用，但是由于各种原因产生的换热器泄漏，也造成了物料的浪费和环境的污染，影响着生产装置的正常运行和工厂的经济效益，已成为生产中不可忽视的问题。了解换热器可能产生泄漏的部位和产生泄漏的普遍原因，并从设计、制造、使用三个环节着手加以控制，就能大大降低换热器的泄漏率。通过对大量不同种类换热器的泄漏发生部位及产生泄漏的原因进行分析，并做出相应的对策，为换热器的设计、制造和使用提供参考。

（1）制造过程中的缺陷 ，焊接质量是换热器制造上的关键。换热器管子与管板焊接时，在焊缝两侧形成热影响区，这是焊接接头的薄弱部位，容易产生残余变形和残余应力，即容易形成应力腐蚀的基本条件。若遇到腐蚀环境的影响，例如在H2S、OH-等环境中（奥氏体不锈钢在Cl-、OH-等环境中），就会发生应力腐蚀开裂，造成换热器管接头处泄漏。管子与管板之间的缝隙处存在不流动液体，与缝隙外液体形成浓差电池，引起缝隙腐蚀，也会造成换热管接头处泄漏。管子与管板焊接结构的特点是具有排列紧密的小圆形单道焊缝，管板较厚，如果焊接工艺不当，就易造成焊缝根部夹渣、熔合不良、裂纹、气孔等焊接缺陷。在运行过程中这些缺陷受到交变应力的影响便会扩展，使泄漏通道扩大，导致泄漏。这已成为换热器失效的普遍原因。

（2）管束振动，介质垂直于管束横向流动是流体诱发振动的主要根源，如果流入壳程的是气体，在与流动方向及管子轴线都垂直的方向上将形成声学驻波。当声学驻波的频率与卡曼旋涡频率和紊流抖振主频率一致时，还会激发产生声学驻波振动。在操作过程中，管束振动将引起管板与管子之间的熔敷金属中存在的气孔和其他缺陷扩大或扩展，发展到一定程度时这些缺陷就会被击穿或导致疲劳开裂。振动与换热器管子的固有频率有关，而固有频率与管束的结构、尺寸有关，因此换热器本身的设计缺陷是导致管束振动的原因。 采用强度胀接的换热器在胀接时，管板与换热管应有适当的硬度差，否则管子回弹大于管板，造成胀接不紧。另外，当管子外径与管板管孔之间的间隙较大时，要达到胀紧目的，管子就必须有较大的变形量。管子在胀接变形量增加的同时，其硬度也随之增加，从而使换热管的硬度更加大于管板硬度，导致胀接更加不紧。

（3）温差应力及热疲劳 ，换热器在石化行业中应用非常广泛，蒸汽发生器、再沸器、锅炉给水预热器等都是典型的换热设备。大多数换热器在运行过程中，管壳程流体之间都存在着一定的温差，多管程的换热器各程换热管之间也存在着较大的温差，温差导致管板两侧和换热管之间产生温差应力。当温差应力达到一定数值时，金属便会产生塑性变形和蠕变。如果换热器的操作温度周期性地变化，或者操作工况为反复加压、升温和卸压、降温的过程，那么热应力反复变化会使设备产生热疲劳。调查发现，很多炼油部门的蒸汽发生器都是由于这种原因而泄漏失效的。

（4）操作因素，换热器在运行过程中，由于生产工艺本身的特点或者由于工艺操作不规范导致介质压力不稳，温度骤变引起冲击热应力。这种操作压力和温度的瞬间波动将导致管板法兰密封面上垫片的压紧力发生变化，反复循环，致使法兰螺栓松动，密封失效。热冲击是以极大的速度和冲击形式施加的，造成比热疲劳更大的温度梯度，可以使材料失去延性，发生脆断。目前炼油三部油浆蒸汽发生器泄露，除了质量上我们不能做到完全控制，我们在操作上是不是严格按照升温曲线和操作程序来的，投用不到半年，发生大面积泄露，要找原因，防止此类事件再次发生。

综上所述，导致换热器发生泄漏的原因可能在设计、制造和使用三个环节中的某个环节，也可能是二个或多个环节共同作用的结果。

3.3 清洗

换热器运行一段时间或一个周期，就要进行清洗，换热器循环冷却水中含有大量的盐类物质、腐蚀产物和各种微生物，由于未对其进行水处理，换热器运行一段时间后水侧会结有大量的钙镁碳酸盐垢及藻类、微生物淤泥、粘泥等，这些污垢牢固附着于内表面，导致传热恶化、循环压力上升、机组真空度降低，影响机组的运行效率，造成较大的经济损失。

（1）清洗原理，钙镁碳酸盐水垢易溶于强酸，反应放出二氧化碳气体，生成易溶于水的物质而达到清洗除垢的目的，其溶解反应方程式为：

CaCO3+2H+=Ca2++H2O+CO2，Mg（OH）2+2H+=Mg2++2H2O，在清洗过程中，H+ 会对金属机体产生腐蚀，并出现氢脆现象，因此清洗剂中要加入相应的缓蚀剂；溶解产生的Fe3+、Cu2+等氧化性离子会造成金属机体的点蚀、镀铜等现象，因此清洗液中还需加入掩蔽剂。

（2）换热器化学清洗、预膜处理，化学清洗流程：试 压水冲洗酸洗除垢水冲洗钝化预膜。试压的目的是为了在模拟状态下对清洗系统的泄漏情况进行检查。 水冲洗，水冲洗的目的是清除设备内松散的污物，当出口处冲洗水目测无大颗粒杂质存在时，水冲洗结束。水冲洗结束后，在清洗槽内循环添加换热器清洗剂，控制清洗主剂浓度在3～10%、于系统内进行循环清洗去污，清洗时间8 ～12小时，定时取样分析清洗主剂的浓度，当其浓度在2 小时内趋于稳定值且清洗系统内没有气体放出时，结束酸洗过程。清洗工序完成后，进行水冲洗。开启系统的循环泵用工业水置换排出废酸溶液，冲洗残留淤泥及残渣，同时在排污池中用NaOH对废液进行中和处理（pH值5～9）。当出口处目测杂质不多时、且pH值大于5时结束水冲洗。钝化处理，水冲洗合格后，循环添加2-3%（重量）的换热器钝化剂进行化学预膜处理，来提高管束的耐腐蚀性能。待整个系统溶液浓度混合均匀后停止循环，浸泡8～10小时。然后将钝化液排放用盐酸中和（pH值5～9），清洗过程结束。

（3）清洗效果 清洗结束后，从清洗槽中取出监视管观察，管内、外表面应洁净，无残留污垢、无点蚀、无脱锌腐蚀等现象，目测除垢率应为100%；

整个清洗过程完成后，打开换热器观察，被清洗的管束表面应清洁、污垢无残留，设备洗净率应≥98%，化学清洗后，换热器的管线几乎没有发生泄漏。

（4）废液处理，上述工程废液不经处理，不能排放，否则将造成安全隐患，同时造成环境的污染，有害物质的含量要降到最低，各项指标均能达到环保排放指标。

（5）施工注意事项

①施工人员进入现场必须按规定戴好劳保用品，需要穿胶鞋、胶皮手套、口罩及眼罩；

②施工现场要有良好的通风，操作现场要有方便、充足的水源。

③在搬运有腐蚀性的药品时，应尽量采用叉车等专用搬运工具。严禁溅入眼、口、皮肤上。如误触，立即用大量清水冲洗，严重者，请立即就医。

④施工药品应放在阴凉通风处，并做好“危险品勿动”等醒目标记。

石油化工行业离不开换热器，在操作过程中，严格按照操作程序，保证设备长周期安稳运行，不污染环境。

【参考文献】

[1]王福利，主编.石油化工设备检修手册[M].北京：中国石化出版社，2011.5 ISBN 978-7-5114-0703-0.

[2]钱颂文，主编.换热器设计手册[M].北京：化学工业出版社，2002.8 ISBN 7-5025-3828-3

[3]文联奎，编.石油化工设备检修手册.2版[M].北京：中国石化出版社，2007 ISBN 978-7-80043-222-4.