石脑油加氢装置反应换热器内漏原因分析与解决措施

梅 军

（中国石油广西石化公司生产一部，广西 钦州 535000）

1 换热器泄漏的情况

本石脑油加氢装置以直馏石脑油、加氢石脑油和催化中汽油为原料，经加氢反应后生成精制石脑油经下游轻烃回收单元分离后作为连续重整的原料。装置投入运行近半年后发现精制重石脑油硫含量超标（指标要求≯0.5×10-6）。图1是重石脑油硫含量分析数据。此后数月，重石脑油硫含量一直超指标。

图1 重石脑油硫含量分析数据

经过调整反应温度、原料注硫量、原料油比例等操作条件后，石脑油硫含量指标仍未好转。考虑到自开工以来，装置混合进料中本身的硫含量范围就在50×10-6~100×10-6之间，初步怀疑为混合原料/反应产物换热器内漏。在对E101A/G管程入口（即反应器出口）、冷高分离罐出口、石脑油分离塔底采样分析后，确定是混合原料/反应产物换热器E101A/G中的一台或多台内漏。因为壳程的混合原料压力高于管程的反应产物压力，内漏只可能由壳程往管程漏，而壳程的混合原料中硫含量较高，所以管程的反应产物串入了含硫量比较高的石脑油，最终导致下游轻烃回收装置的重石脑油含硫量超标。

E101共有7台，换热流程见图2。

图2 混合原料/反应产物换热流程

该换热器为U型管换热器，折流板形式为双弓形，型号为BIU1500-5.4/6.6-905-6.65/19-2Ⅰ。该组换热器的材质及相关参数见表1、表2。

表1 换热器材质

表2 换热器操作参数

2 换热器鉴定情况

由于E101中7台换热器均没有副线，要检修换热器就必须停工，故装置于2011年12月份进行停工检修该组换热器。在拆开7台换热器管箱后发现，管板表面比较干净，管束没有堵塞结垢的现象。在对换热器壳程打压至55kg后发现，换热器管束有不同程度的泄漏。E101A有9根管束内漏，E101G有10根管束内漏，E101C有1根管束内漏。管头与管板的焊接处未发现腐蚀和裂纹。图3是E101A打压时管束泄漏情况。在抽出E101A的芯子后发现，少数管束出现了断裂的现象。图4是抽出后的E101A芯子。

图3 E101A打压时管束泄漏情况

图4 抽出后的E101A芯子

图5 是E101G打压后管束堵漏的情况，合计有10根管束内漏。抽出E101G的管束，没有发现管束断裂。

图5 管束打压堵漏的情况

3 管束断裂原因分析

分析表2的换热器操作参数可以看出，来自进料泵的石脑油和氢气混合后以较低的温度，首先进入E101G壳程，在换热器内被加热。原料石脑油在换热终端E101A的壳程入口达到气化点，此时进入E101A壳程的介质全部为气相，压力约为5.5MPa，介质流速比较高。介质进入壳体后由于防冲挡板的作用改变了流向，使壳体入口管束周围成为高速流区，很容易激起附近管子的振动。

另外，通过观察抽出的换热器芯子发现，第1块折流板与管板之间的距离较大，实测值为1080mm。第2块折流板与管板之间的距离更是达到了1550mm。由于此换热器的折流板形式为双弓形，这就使得通过第1块折流板缺口部位的管子的跨距，明显地要比通过中央部位的管子的跨距来得大。这种大跨距的管子挠性比较大，管子的固有频率低，振动的倾向更大。以上2个因素解释了E101A管束断裂为什么会主要发生在靠近壳体进口区域的管子及通过第一块折流板缺口部位管子上。

进一步观察E101A管束断裂的位置，我们发现断裂主要发生在如下两个部位：（1）管束穿过折流板的管孔处（图6）；（2）管束与管板的连接处（图7）。

图6 管束穿过折流板处断裂图

图7 管束与管板的连接处断裂图

换热器设置折流板的目的是使壳程流体横向流过管束来改善传热。在规定的压力降范围内，最大程度地增大壳程流速，不仅强化了传热，还可减少管子表面上的污垢。但是由于E101壳程流体流速较大，换热器尺寸（E101管束直径1.5m）也大，这就增加了换热管的挠性，换热管由于壳程流体（混合原料）的冲击而诱发了振动。

换热器振动机理：当流体在换热器管束上横向流动时，由于受流体力的作用，管子将激起振荡运动。管壳式换热器壳程中的流体流路十分复杂，有管束上的横向流、轴向流、旁通流和泄漏流等多股流路。管束两端的进出口处还存在一定的滞流区。各流路中流体流速的大小和方向在不断变化，呈不规则的非稳定流动状态，整个管束处于不均匀力场中，因而管束极易因流体流动的各种激发力而诱发振动。如果各种振动的周期及其相位耦合，相关波叠加的结果可能产生大振幅的振动，引起管子与折流板的冲击。管子与管子的碰撞和磨压，致使管子变形、疲劳、磨损乃至断裂。

换热器流体诱发的振动有5种破坏形式：

（1）碰撞损伤。如果传热管振动的振幅比较大，就会导致管子之间，外围的管子与壳壁之间不断碰撞，久而久之，管壁会变薄，最终破裂。这就是碰撞造成的破坏。

（2）折流板切割。为了便于换热管在组装时容易穿过所有折流板上的管孔，管孔一般比换热管的外径大0.4~0.7mm。由于存在间隙，管子在振动时不断撞击折流板管孔，犹如遭到折流板的切割。特别是在折流板很薄且其材料较管材更硬时，切割作用更为明显，因而导致管壁变薄或出现开口。

（3）冶金失效。振动使换热管产生交变应力，导致管子表层的氧化层脱落，管子表面留下坑点。在坑点处引起应力集中，导致管子失效，缩短了管子的寿命。

（4）管与管板连接处泄漏。用胀管法固定到管板上的管子，在振动时呈弯曲变形。与管板接合处的管子，受力是最大的。管子有可能从胀接处松开或从管孔中脱出造成泄漏甚至产生断裂。此外，尖锐的管孔边缘对管壁也有切割作用。类似的破坏形式也可能发生在管子与管板焊接的连接处。

（5）应力疲劳失效。如果管子材料本身存在缺陷，或者由于腐蚀和磨损产生了裂纹等缺陷，在振动引起的交变应力作用下，位于主应力方向上的裂纹就会迅速扩展，最终导致管子疲劳失效。

观察 E101A的芯子，发现该换热器芯子管束破坏形式符合换热器流体诱发的振动中的2种破坏形式，即折流板切割和管与管板连接处泄漏。

4 旧换热器芯子修复

装置在停工之前按E101A/B标准，定做了2台304材质的换热器芯子。鉴于E101A芯子的断裂情况，装置决定先更换新的芯子。待开工后，再修复旧的芯子。经与设计院讨论，管束修复方案如下：在靠近管板侧的第1块折流板与管板之间截面上，增设2块弓形折流板。新增设的折流板与管板之间的距离为610mm，折流板间距仍为470mm。增设折流板的目的是加固壳体进口区域的管子，减小该区域管束的流体诱发振动。另外在E101A壳程进口处的换热器芯子上增设了导流筒。图8是导流筒的结构图。

图8 导流筒的结构图

设置导流筒不仅可以防止入口处流体对管子的冲击，而且可以使壳程流体分布均匀，并且使壳程进口段管束的传热面得到充分利用，减少传热死区，以及防止进口段可能会出现的流体振动。

5 结语

随着管壳式换热器趋于大型化，并且，由于换热器尺寸和管束支撑间距的增大，以及流体流速提高、运行工况不稳定等因素影响，经常引起换热器管束发生流体诱导振动，造成换热器局部失效。在生产实践中可以采取以下具体的抗振方法：

（1）制定合理的开停工程序，加强在线监测，严格控制运行条件，在流体入口前设置导流筒，既可以避免流体直接冲击管束，降低流速，又可以减小流体脉冲。

（2）降低壳程流体流速可以降低流体诱导振动的频率，是防止管束振动最直接的方法，但同时传热效率也会随之降低。

（3）适当减小折流板间距，增大管壁厚度和折流板厚度，折流板上的管孔与管子采用紧密配合，间隙不要过大，可以优化结构设计，增加管束固有频率，使流体诱导振动频率远离管子固有频率。

[1] 曹向云，潘恒.管壳式换热器的振动与防止[J].贵州化工，1995（3）：46-50.

[2] 戴波，柳红.管壳式换热器声振动探析[J].当代化工，2001，30（1）：51-52.