催化装置油浆换热器管板失效原因分析及对策
开篇：润墨网以专业的文秘视角，为您筛选了一篇催化装置油浆换热器管板失效原因分析及对策范文，如需获取更多写作素材，在线客服老师一对一协助。欢迎您的阅读与分享！
摘要:针对炼油厂4台油浆蒸汽发生器长期以来,由于内漏无法正常投用的生产实际,从设计、制造、安装、操作维护等诸多方面,进行深入探讨分析,为该换热器的日常操作维护提供有益的建议。
关键词:振动 疲劳破坏 应力 管束
中图分类号:TE68 文献标识码:A 文章编号:1672-3791(2012)09(c)-0108-01
重油催化装置油浆蒸汽发生器内漏是全国炼油行业较普遍存在的问题,玉门炼油厂催化装置现有四台该型换热器(H-202/1～4),是80万吨/年重油催化装置改造中增加的为充分利用装置高温热源,降低装置综合能耗,优化生产调节的重要手段,但由于种种原因,该换热器自投用后,由于管、程之间内漏互穿介质,始终无法正常发挥其设计作用,有时甚至给装置的安全生产带来许多隐患。现就相关问题进行分析探讨。
1 油浆蒸汽发生器结构特点及相关工艺流程
2 运行状况及检查结果
该4台换热器自2005年1月装置建成投用仅运行5个月后,发现壳程蒸汽严重带油现象,其中对H-202/3、4两组进行解体,检查发现换热器固定管板、管束账焊接头周围有大量贯穿性横向、纵向裂纹,浮头盖锻焊部位也出现裂纹,停用后於2006年7月安装由兰石厂制造新管束,启用前每次冷态水压试验均合格,但在投用过程中却每次出现壳程向管程大量内漏蒸汽现象(投用时在未引入油浆,先通过气包向壳程引入了饱和水蒸汽憋压),现无法正常投用而停用待修。给装置的生产调节及节能降耗都造成极大的被动。
3 故障原因分析
3.1 产汽过程中的管束振动因素
3.1.1 横流诱发的管束振动
该换热器设计为壳程汽水混合物从底部4个进水口沿管束垂直方向进壳体,此种流动方式极易诱发换热器管束振动,特别是管束为长跨距两约束结构,原因是横向流在每根管束后形成了卡曼旋涡,当旋涡自管束表面脱落频率等于管子固有频率时,振动剧烈增大。长时间、高频次的剧烈振动产生如下危害:(1)导致管束与固定管板间,在有先天缺陷的账焊部位处首先产生疲劳裂纹,并最终扩展成裂缝引发泄露。(2)引发管子与管子或管子与折流板孔(折流杆)之间的频繁撞击,长时间使管子受到磨损而开裂或切断。
3.1.2 紊流引发的抖振
除卡曼旋涡诱发振动外,对于密排管,紊流引发的抖振也是不可忽视的因素,当密排管没有足够的空间难以发生卡曼旋涡的脱落现象时,细的紊流旋涡也可使管子受到随机波动的作用力,而紊流有一个相当宽频率范围,当频带中的某一频率等于或接近管子任一振型自振频率时,也会使管子大振幅运动。从而造成管板开裂或管束磨损。
3.1.3 流体介质的弹性激振
流体弹性激振属自激振动,振动一旦开始,振幅将急剧增大,根据使管子开始振动的临界横流速度,其经验公式为:V=βfn(mσ/ρ)1/2980(V为临界速度;β为流体速度;fn为管子固有频率;ρ为密度),可知激振频率与流速成正比关系,其原理是当管子中一根管子由于振动受力而偏离原位置时,就会破坏周围的稳定流场,改变邻近管子的受力平衡使这些管子受到波动压力作用而使他们在自振频率下处于振动状态。进而引发整个管束所有管子的振动。
3.2 管束、管板温差应力和腐蚀应力因素
管束与管板及管板与壳体的温差应力是引起换热器冷态投用时管板账焊预紧部位开裂的主要原因,特别对于大直径的厚管板而言,大的温差不仅使管束的账接应力大大下降,而且使管束焊接头及整个管板内等处产生大的不确定附加应力,并与管束的振动疲劳破坏等因素相叠加,使管束账焊缝的开裂几率大大增加。特别在壳程压力很大,管程压力为零时,根据固定管板式换热器管板应力计算公式可知,此时如果为正温差(即壳体温度-壳组装温度≥管子温度-管组装温度)时,为最危险工况组合,即此时管板在某一半径位置存在最大应力集中。从上述工艺参数表可知,我厂的4台换热器满足最危险工况条件要求。
4 采取的措施及结构改进建议
(1)制造管束时,要求厂家在管束相应4个进料口位置,改防冲挡板为适当尺寸的轴向导流筒,使汽水混合物尽量沿管束轴向进入管束换热,降低横流直接冲击诱发的管束振动。
(2)仍然采用原设计的折流板式强化传热结构(后新定制做管束为折流杆式),因为根据我厂H-202结构特点,壳体本身为底部横流进料方式,不存在折流板引发二次横流诱发振动的问题,改折流板为折流杆反而降低了管束的固定约束力,使其变为单跨距的弹性体(长6m),更容易发生振动。
(3)通过优化管束的排列方式、管束间距及管子直径等达到改变管子的固有频率,或通过在四个进水管(汽包降水管)内填塞纤维网等增加压降,降低入口流速等手段,以降低临界横流速度,进而改善流体紊流抖振和弹性激振等各种引发管束振动的问题。
(4)优化流程,在现有流程基础上,在产汽线和管程进口管线间跨接一换热器启用专用预热线,以便在换热器启用时,向管、壳程同时引入蒸汽流,同时打开放空控制蒸汽温度,缓慢预热管束和壳体、管板等,以减轻它们之间的温差应力和热变形。
(5)换热器启用、事故处理及日常生产调节操作时,要严格按照相关程序进行平稳升温降压,尽量避免操作温度、压力的大幅波动,特别严禁“干锅”,确保换热器工况平稳性的要求。
5 结语
总之,运行好催化油浆蒸汽发生器是一项涉及诸多因素的工作,需要不断从设计、制造、安装及操作维护等多方面完善改进。才能保证该种型式换热器的长周期安稳运行。