氨冷凝器泄漏的原因分析及处理措施

　　摘要：针对中海石油华鹤煤化有限公司2017年检修过程中发现氨冷器管束焊缝接头泄漏和发生腐蚀两个方面，分析了泄漏原因，在设计、制造和运行方面提出了相应的改进措施。

　　关键词：换热管泄漏,处理措施,检修,改进

　　海油华鹤公司生产装置运行两年以来，列管式换热器的各种故障中管束接头泄漏所占比重最大。这类由于换热器泄漏和堵塞而引起整套装置停车事故已经发生过一起。2017年6月26日进行的停车检修工作中发现合成装置氨冷器的管板和管子间焊缝发生泄漏，而且数量呈增长趋势，泄漏处伴有腐蚀现象，因此分析氨冷器泄漏原因，找出处理对策，尽可能减少该设备在生产运行中发生事故的可能性尤为重要。

　　1氨冷器的基本结构及主要参数

　　氨冷器的外形尺寸为φ1500mm×11586mm、换热管φ19mm×2mm，壳程有17块折流板，壳程介质为氨(NH3/H2/N2);管程介质为循环水，工作温度30℃至37℃。

　　2换热管与管板的连接接头泄漏原因分析

　　管板和换热管连接形式主要有胀接、强度焊和胀接加焊接三种，氨冷器采用的是强度焊加胀接(热处理后)的形式连接。检修中发现氨冷器一侧管束泄漏40处，补焊处理后陆续发现新增泄漏点，共计发现779处泄漏点，占全部换热管数量的27%。下面就可能发生泄漏的原因做如下分析：

　　2.1制造时焊接接头质量不过关产生的泄漏

　　焊接时，由于高温产生热影响区的附近组织出现塑性变形，加上焊接时未完全按焊接工艺评定的要求施焊，容易形成较大的残余应力和应力集中，这是产生应力腐蚀的主要原因。氨冷器的制造厂家在焊接质量上的不过关是造成腐蚀失效的重要因素，首先在清洗换热器过程中发现很多换热管与管板间焊缝的形状不规则、也不统一，说明制造厂的焊接工人的焊接水平一般，焊缝很大可能存在微气孔、裂纹、夹渣等缺陷。

　　其次在用户生产现场第一次打开管箱后发现换热管与管板焊缝有很多补焊过的痕迹，说明在设备出厂前水压试验时发生过泄漏，以此判断焊接时未按照焊接工艺评定的要求进行作业，例如焊丝未加热、电流调整过高(150A以上)、氩气量不足等情况。以上说明焊缝质量是氨冷器换热管和管板间焊缝失效的主要原因之一。

　　2.2胀接工艺不过关产生的泄漏

　　胀接分为机械胀接和液压胀接。推进式机械胀管是通过控制电流的大小来控制胀管机滚锥的转动，最终使换热管产生变形而达到与管板连接的目的。这种方法容易使换热管产生过胀和欠胀，内壁发生硬化或起毛，胀接长度不均匀等情况，导致连接形式应力分布不均匀，在使用过程中的温差变化和应力作用下，只要有纵向裂纹，腐蚀介质就会侵入使连接失效。

　　液压胀接从理论上可靠性较机械胀接好，根据液压胀接原理及GB151-2014有关条款，槽间距和槽宽为8mm至9mm之间，就使得对管板厚度要求(氨冷器管板厚度60mm)、对管孔的加工精度及开槽精度要求特别严格，必须保证100%的没有缺陷。根据氨冷器制造厂家的资产情况分析，其采用机械胀管可能性很大，同时换热管损伤的可能性很大，这是造成氨冷器换热管和管板间焊缝失效的又一主要原因。

　　2.3腐蚀产生的泄漏

　　氨冷器的管程介质为循环水，检修期间对循环水的水质进行了检测分析，发现循环水中含有偏酸性的药剂(pH值4.9-6.1，总铁2.46mg/L，COD值60.2mg/L)，还有自然环境中树叶、昆虫等物质，在这种环境下(循环水pH值低小于9.6，含氧量高大于7μg/L，温度低小于260℃，紊流度大的情况下碳钢材质容易发生侵蚀)形成垢下腐蚀，因腐蚀开裂造成换热管与管板连接接头处失效泄漏。

　　另一方面，在管板上和管箱内壁都发现均匀的点蚀现象，从循环水质在非焊接部位存在大面积腐蚀的情况上分析，焊缝处产生的泄漏的另一个主要原因就是腐蚀导致金属流失，焊缝减薄产生的泄漏。

　　3处理措施和改进方向

　　本次检修的时间非常短暂，2984根换热管的清洗工作用时72h(连续作业)，剩下的时间仅仅有6天时间。在短暂的时间内处理有泄漏趋势的换热器，采取最好的办法就是补焊加防腐处理。氨冷器在经过7次的补焊作业、试压试漏等循环性工作之后，终于在处理第779处漏点时试压合格。下面就阐述一下换热器泄漏的处理措施：

　　3.1补焊作业

　　氨冷器管板材质为16MnⅢ(NB/T47008-2010)，换热管材质为16Mn(GB6479-2000)，故采用的焊丝材质为E5015(φ2.5)或焊条J507R(φ3.2)。首先，补焊换热管时保证焊条的温度，间隔换热管进行补焊作业，电流控制在70A-110A，减少焊接热影响区对周围焊缝的影响，避免引发应力开裂形成联锁泄漏的现象。

　　其次，对发生泄漏的换热管进行力度敲击，补焊前释放部分应力集中，在实际的操作过程中起到了很好的效果。第三，补焊前对焊接部位进行打磨和烘干，因换热管内存在残留的循环水湿度很大，打磨和烘干作业避免形成夹渣和微气孔等缺陷。

　　3.2防腐蚀措施

　　高压射流清洗工作中发现氨冷器泄漏的情况，因事发突然、检修时间短，在防腐材料的选择上、在防腐材料购买到货上局限性非常大，采取的防腐手段极为有限。应急情况下在管箱内表面和管板表面上涂抹环氧树脂涂料，在短时间内可以避免循环水中酸性物质和微生物结垢而产生的腐蚀。

　　另一方面，公司调整循环水加药配比，控制循环水的pH值，对氨冷器的腐蚀减小到最低的程度;在循环水泵入口处增加入口滤网，改造成可替换、可清洗的结构形式，防止杂物进入循环水系统。

　　4改进措施

　　4.1结构设计上的改进

　　氨冷器安装是西高东低，在设计上考虑结构西侧循环水进入全部的管箱，尽量消除空气层，避免因干湿变化引起腐蚀;换热管与管板的连接采用强度焊加贴胀的结构，贴胀增强抗疲劳破坏能力，依据现代制造技术，建议设计上要求液压胀管;增加管板厚度来保证胀接长度。

　　4.2制造过程中的改进

　　(1)严格控制管板的加工精度，管板密封面与壳体轴线垂直公差控制在1mm以内，与自身轴线垂直公差控制在0.4mm;管孔严格垂直于密封面，不允许存在纵向条痕。(2)控制焊接工艺，防止大电流焊接引起过热，造成晶粒组织粗大及产生过大的残余应力。绝对不允许有气孔、裂纹及夹渣等缺陷的存在;焊接方式采用氩弧焊，换热管与管板焊接接头应进行100%磁粉检测，按JB/T4730-2005中Ⅰ级合格进行验收。

　　(3)贴胀采用液压胀接的方法，保证管板与管子的连接处胀度一致，整个长度上应力分布均匀。胀接采用的液压的压力大小要做小样试验，根据经验选择一个压力值进行样本管子胀接，实测胀接前后管子内径的数值，用管子内径增大率来计算胀管率。(4)换热器制造完成后进行水压试验，保压时间适当加长可以消除部分应力。试压试验合格后进行气密性试验再进行整体热处理。(5)换热器安装前对管板和管箱进行涂层防腐处理(现代技术进行循环水预膜防腐处理，氨冷器在实际操作效果上看并不明显)，防腐层必须紧密，不能脱壳，否则会形成高浓度腐蚀环境，引起管子与管板连接接头失效。建议选用耐高温耐腐蚀的氟碳涂料。

　　4.3生产操作上和循环水质的改进

　　合成装置在操作上避免换热器在启停过程中温升率、温降率超过设计值，保护换热器在合理的温差变化范围之内。循环水经过加药处理后的pH值建议在9.6以上，很大程度上减少碳钢材质列管式换热器发生腐蚀的几率。

　　5结束语

　　氨冷器本次发生的泄漏现象并非偶然，很大程度上是在制造环节的质量把控缺失造成的，同时在生产运行中循环水介质的变化产生的腐蚀导致泄漏的呈扩大趋势。以氨冷器泄漏为出发点，分析碳钢材质列管式换热器发生泄漏的原因，提出在设计环节考虑结构改进、在制造环节注重质量把控和关键制造节点样本试验，在生产运行过程合规操作，在介质变化中稳定酸碱度和提升防腐措施。

　　采取以上措施并完全应用在氨冷器的各个环节上，可以延长该设备的使用寿命，非正常停车的情况就很少会发生，生产更加稳定可靠，用户的经济效益也会得到保障。

　　参考文献

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