1U形管式换热器替代浮头式换热器的可行性研究

U形管式换热器替代浮头式换热器的可行性研究换热设备是炼油和石油化工生产中广泛应用的设备之一，其中浮头式换热器占有很大的比例。根据目前的运行使用情况来看浮头式换热器存在一些问题，主要是浮头式换热器的密封内漏，造成停车检修，致使生产常常无法正常进行。下面就其原因进行分析。1管壳式换热器基本类型1.1固定管板式换热器固定管板式换热器结构简单紧凑,往往是管板兼法兰。适用于管、壳程温差不大或管、壳程温差虽大,但压力不高,壳程介质干净或虽结垢,但通过化学清洗能清除的场合。1.2浮头式换热器浮头式换热器管束一端的管板可以自由浮动,不受温差应力的困扰,其结构复杂,内浮头密封困难,锻件多,造价高。维修时可只更换管束,适用于管、壳程温差大但工作压力不超过10MPa的工况。1.3U形管式换热器U形管式换热器管束可自由伸缩,只有1块管板,密封面少,可抽芯维修更换。适用场合为管、壳程温差大,高温高压。壳程需抽芯清洗,管内介质干净或虽会结垢,但通过化学清洗能清除。1.4釜式重沸器釜式重沸器壳体上部作为蒸汽空间,热源由浮头换热器或U形管束提供,适用场合为管壳程温差大,压力不受限制,塔底空间较小,汽化率30%～80%,重沸器工艺介质的液相作为产品或分离要求高,但安装空间受限制。用作蒸汽发生器时,对蒸汽品质要求不高。目前常用的换热器种类有浮头式、固定管板式和U形管式，其中以浮头式换热器最多。固定管板式换热器由于自身结构的限制，应用的场合有限。当在换热器的壳体上增加一段膨胀节后大大拓宽了固定管板式换热器的应用范围；浮头式换热器零部件多，易拆卸和清理，但检修的工作量大，容易内漏；U形管换热器适用的场合广、检修简单、操作弹性好。2U形管换热器的使用性能目前U形管换热器大量应用于高温高压的场合。与浮头式换热器相比，由于去掉了浮头密封，U形管换热器的管束不易发生内漏，即使发生内漏，也非常容易处理，尤其是在查找漏点的时候不需要过多的工装；而浮头式换热器在查找内漏时需要有大量专用的工装，操作起来比较繁琐。U形管换热器的管束发生内漏时一般有两种可能：一种是换热管损坏；另一种是管板接头焊缝腐蚀。第一种情况一般很少发生，发生时可用堵头堵住；第二种情况比较多见，处理时可以对焊缝进行清理补焊。使用状态下的受力状况较好，尤其在管程温差较大时，每个管程的温度不一样，单个管程的换热管所受到的温差应力能够自由平衡，不受浮动管板的限制，有利于保护换热管。使用过程中的操作弹性更大，与同等规格浮头式换热器相比，U形管换热器能够承受更大的温度和压力波动，有利于装置的安稳运行。3浮头换热器在使用过程中常见故障分析3.1换热器法兰密封面垫子泄漏的原因分析3.1.1温度的影响①温度对材质性能的影响。换热器浮头盖与浮头管板密封的钩圈、螺栓等材料在使用过程中,因长期处在高温的环境下,其机械性能降低,会发生蠕变和应力松弛现象，使螺栓的拉紧力减小。导致法兰对垫子的压紧量减小而刺漏。②温度对垫片的影响。对于换热器法兰使用的耐油石棉橡胶板做的垫子,垫片长期在高温作用下会使其老化而失去弹性造成垫子泄漏。③温度差的影响。换热器法兰、筒体、螺栓、管箱、垫片之间存在温度差,使各部分热胀冷缩不均,导致站换热器法兰垫子泄漏。④热疲劳的影响。换热器在工作过程中,受反复加热和冷却,使之产生较大的热应力,特别是螺栓反复受此力作用,导致螺母松动，拧紧力减小,使换热器法兰垫子泄漏。总之，浮头式换热器垫片常因高温而发生泄漏，升温、降温操作时情况更加严重，由于法兰内外温度梯度的存在，特别在设备的升、降温阶段，法兰与螺栓之间有温差存在，两者的膨胀程度不一致，垫片的塑性增加，回弹能力降低或压缩回弹不均匀，垫片金属部分弹性模量降低，材料发生蠕变。是密封失效的原因之一。3.1.2压力波动的影响①产生过程中的压力波动是不可避免的；②因各种故障需频繁停、启时,产生的压力波动量在0～3.5MPa之间。换热器法兰、螺栓、垫子在上述交变的压力作用下容易产生变形,造成垫子失效。3.1.3加工精度的影响换热器固定管板法兰密封面的管板与管束不垂直,使两法兰对口平行度有偏差。密封面之间若发生0.15mm的偏差,上法兰螺栓时很难将垫片压紧,导致该点优先泄漏。3.1.4人为方面的原因①经常发现换热器浮头盖法兰密封面上的凹坑、凸起缺陷,影响法兰的密封程度。根据施工情况分析,这些凹坑、凸起缺陷的产生,可能都是在拆卸、组装时损伤。拆下浮头盖后其下部的钩圈在往里碰撞后脱落,砸到浮头盖法兰密封面而损坏法兰密封面。②在实际使用中，人为因素造成的泄漏也不容忽视。如：开停机速度太快、太猛，热膨胀不均匀，疏水不干净，水击现象，螺栓预紧力不够或过高，频繁的停开机使垫片产生疲劳变形等原因都可能造成泄漏，所以在操作运行时，还须严格执行操作规程，才能保证换热器的正常工作。3.1.5腐蚀的影响螺栓的丝扣腐蚀影响螺栓的拧紧力致换热器法兰垫子泄漏,或密封面腐蚀致换热器法兰垫子泄漏。3.1.6密封结构通过上面的分析可以看出，浮头式换热器在运行时，由于介质压力的作用，使管板发生挠度变形，破坏狭窄的密封，而造成管程中的高压介质泄漏到壳程，针对这个问题，需从两方面着手解决：采用带波形膨胀节的固定管板式换热器代之，效果一定很好：密封面和密封结构可以随便改变；由于加装了膨胀节，使作用于管板上的轴向载荷减小了，管板的弯曲变形也相应减小了。也可采用U形管换热器代之。图5浮动管板在压力作用下的变形图6带波形膨胀节的固定管板式换热器示意图3.2螺栓存在的问题在浮头式换热器使用过程中，密封面把紧螺栓的断裂情况屡见不鲜。分析其断裂原因大致有以下几种：其一是材料用错，包括螺栓材料的牌号不对，成分不合格，热处理组织状态不对头；其二是加工粗糙，包括加工尺寸，加工光洁度和加工精度达不到要求；三是装配过程中螺栓把合的预紧力过大，使得其过于接近屈服强度，容易导致断裂；四是频繁拆卸；五是腐蚀性介质的影响，如造成缝隙腐蚀，应力腐蚀以及氢脆等；六是设计问题。3.3操作条件单纯的压力或介质的因素对泄漏的影响并不是重要的，只有和温度联合作用时问题才显得严重。由于操作温度高，法兰、螺栓、垫片可能发生蠕变和应力松驰，致使压紧面松驰，密封比压下降而泄漏;法兰内外温度梯度的存在，密封组合各部分的温度不同，引发热膨胀不均匀，特别在升、降温操作过程中更为明显。4三种换热器性能对比4.1三种换热器综合性能对比三种换热器综合对比见表1,表中紧凑性是换热器总传热面积与其体积的比值,该值越大占地面积越小。经济性是指单位传热面积的金属耗量,该值越小造价越低。价格比指相同工况和材料下的相对价格比,并以固定管板作为基数。表中换热器采用公称压力2.5MPa,6000mm管长作对比。表1三种换热器综合性能对比在同等条件下,固定管板式换热器结构最紧凑,U形管式和浮头式换热器相当。固定管板式换热器最经济,浮头式换热器较差。若工况允许,选择换热器的次序为固定管板式、U形管式、浮头式换热器。4.2经济效益分析4.4.1检修费用以BES1000-2.5-275-6／25-2(简称BES)和BIU1000-2.5-275-6／25-2(简称BIU)换热器为例，单台检修费用对比结果见表1。由表1可以计算出在地面上检修一台U形管换热器比浮头式换热器节约费用4105.27元，在平台上要节约4200.36元，平均节约4152.82元。以某500万t／a炼油装置2002年小修为例，其中仅常减压和催化两套装置共检修换热器153台，投资预算150.1万元(平均每台检修费用9810元)，占本次检修总投资(1830万元)的8.2％，其中U形管换热器9台，仅占总数的5.9％。如果U形管换热器的比例能够提高到70％，即107台，减掉原有的9台后是98台，按平均每台节约0.3738万元计算，仅本次小修就可节约36.63万元。表1不同换热器的检修费用（元）换热器类型浮头式换热器（BES）U形管换热器（BIU）基价预算基价预算地面5889.3310208.343656.096103.07平台(2m以上)8194.9412786.Ol5961.78585.654.4.2购置费用一台型号为BES的浮头式换热器质量为10550kg，而型号为BIU的U形管换热器质量为10340kg，它们的质量差为210kg(当公称压力越高的时候，质量差就越大)。如果设备按1.2万／t计算，则购买一台ONl000尸A2．5的U形管换热器要比购买一台同规格的浮头式换热器节约2520元。每台换热器的使用寿命一般为15年，需检修5～7次，加上购置费差价，因此，只要工艺条件允许，投用U形管式换热器所节约的费用非常可观。4.3综合效益分析合理使用U形管式换热器所节约的费用还体现在减少停车检修次数，从而减少原材料、人工和能源的浪费，减少排污；同时增加产量，提高生产效益。一减一增，综合效益比较可观。5U形管式换热器替代浮头式换热器的注意事项通过以上分析，U形管换热器具有较高的性价比，尤其在使用性能方面，只要工艺条件适宜即可替代浮头式换热器，而且可减少静密封数量，操作弹性大，对装置的稳定性和安全性起到了重要作用。不少换热器的使用环境随着工艺的调整而变化，同时需要对U形管式换热器在各种使用条件下的情况作进一步观察分析，以便进一步评估其价值，为广泛推广使用积累数据。因此，对于U形管式换热器替代浮头式换热器的工作需要注意以下几点问题：5.1U形管式换热器替代浮头式换热器的工作需要有序进行新建的炼油和石化装置可在设计阶段进行评估，只要使用条件允许，即可大量采用U形管换热器。对于旧装置中正在使用的浮头式换热器可结合报废年限有计划地分批更换。对于严重影响生产正常运行的浮头式换热器可以先期更换。对于客观需要改换的可对其壳体进行改造后更换为U形管管束。如石化厂大芳烃的E205、207和209等，可作为试点，制造备品以便更换。待取得效果后逐步推广。对于需要进行热交换的粘稠介质容易在使用过程中产生结垢或堵管，在这种条件下不宜选用U形管换热器替代浮头式换热器。可以采用带波形膨胀节的固定管板式换热器代之。5.2材料方面的考虑对于碳钢和低合金钢材料的浮头式换热器原则上都可以用同种材料的U形管式换热器替代，10#钢的列管可以选用20g替代。对于原先使用奥氏体不锈钢材料的浮头式换热器若需要替换为U形管式换热器时，则必须慎重考虑有无应力腐蚀的环境因素。理由是U形管式换热器的列管U形部位弯管时的残余应力很大，容易造成应力腐蚀开裂。5.3防腐和表面处理方面考虑对于需要防腐或防止物料污染的换热器设备，建议进行Ni-P镀涂层工艺处理。该方法既可达到防腐的目的，又可起到耐磨损的作用，同时不会影响传热效果。在许多石化企业已经取得了大量的成功经验。以上仅为一点粗浅的认识，请有关领导指正。2007/9/10