管壳式石墨换热器管板裂纹修复

管壳式石墨换热器管板裂纹修复
陈军民;骆凤荣;陈梦漪
【摘要】列管式石墨换热器结构较简单、操作可靠,是磷化工装置中磷酸浓缩工段普遍采用的换热设备,受石墨易脆裂、抗弯和抗拉强度低的特点限制,该类设备容易损坏,且维修难度大.湖北省黄麦岭磷化工公司磷酸浓缩Ⅱ系在石墨换热器管板的维修方面取得了成功经验,为类似设备故障的分析和处理提供了参考.
【期刊名称】《化肥设计》
【年(卷),期】2019(057)002
【总页数】3页(P36-38)
【关键词】石墨换热器管板;纵向裂纹;横向裂纹;修复
【作者】陈军民;骆凤荣;陈梦漪
【作者单位】湖北省黄麦岭磷化工有限责任公司,湖北大悟 432818;湖北省黄麦岭磷化工有限责任公司,湖北大悟 432818;西北师范大学,甘肃兰州 730070
【正文语种】中文
【中图分类】TQ051.5
管壳式换热器又称列管式换热器(按结构分为固定式和浮头式两种)[1]，是以封闭在壳体中管束的壁面作为传热面的间壁式换热器。

磷化工装置中磷酸浓缩工段普遍采用管壳式石墨换热器作为换热设备(见图1)，且为关键核心工艺设备。

换热器外壳及上下封头一般使用金属材料，换热管及管板采用石墨化材质[2]。

但石墨具有易
脆裂，抗弯和抗拉强度低的特点，导致该类设备容易损坏，且维修难度大。

经过多次反复试验，笔者将湖北省黄麦岭磷化工公司(以下简称黄麦岭公司)磷酸浓缩Ⅱ系石墨换热器石墨管板维修已取得的成功经验进行归纳和总结，希望能给同行借鉴。

图1 管壳式石墨换热器
1 管壳式石墨换热器操作与使用
管壳式石墨换热器耐腐蚀性好，具有优越的换热性能，传热面不易结垢，使用相对较低温度的饱和蒸汽(120 ℃)即可完成对物料的加热，节能的同时避免了高温产生的结垢[3]。

因其易脆裂，抗弯和抗拉强度低，所以只能用于低压、承压能力较好
的块孔状结构，其工作压力一般也仅为1.0～1.1 MPa[4]。

石墨换热器操作和使用中一般要求避免形成水锤冲击；使用过程中严格控制介质的温度、压力，避免超指标运行，杜绝快速升降温、升降压现象；如石墨换热设备被冷却介质为高温气体，则应禁止随意中断冷却介质，更不能让冷却介质液位降
至石墨件以下；使用过程中，浮动端法兰紧固力度要适度，确保在设备内壳体与石墨管束间热胀冷缩时能自由滑动。

为此，浮动端尽量采用弹簧螺栓(见图2)[5]。

图2 石墨换热器结构
2 黄麦岭磷酸浓缩石墨换热器基本工况
2.1 工艺流程
石墨换热器一般成本高、体积大，黄麦岭公司磷酸浓缩工段使用浮头式石墨换热器。

规格型号为φ1 791 mm×10 515 mm，换热面积 568.2 m2。

换热管总数量649根，石墨管规格为φ38.1 mm×50.8 mm，由西格里石墨技术(上海)有限公司生产。

来自酸贮槽的26%～28%稀磷酸与低压蒸汽在石墨换热器中换热后，经强制循环
泵循环，在浓缩闪蒸室真空条件下蒸发出45%～48%的浓磷酸，并输送至浓磷酸
贮槽贮存。

大量水蒸气与残余的含氟气体经大气冷凝器冷却后进入循环水系统，不凝性气体被真空喷射器排入大气。

低压蒸汽经石墨换热器换热后产生部分冷凝水，
送往除盐水站或供反应工序二次利用。

2.2 换热器规格及主要技术参数
换热器规格及主要技术参数见表1。

表1 换热器规格及主要技术参数参数管程壳程压力MPa(g)0.6/全真空0.6/全真空温度/℃180(管子)100(管箱)180压力降kPa(g)(允许)5050
注：石墨管导热系数为0.603 W/(m·℃)；换热面积为568.2 m2；换热量为
7.18×107kJ/h；外形尺寸为φ1 791 mm×10 515 mm。

3 黄麦岭石墨换热器管板裂纹故障修复
3.1 换热管破裂原因分析及修复
3.1.1 换热管破裂原因
黄麦岭公司浓缩工段石墨换热器在使用中曾发生过多次大批量管子破裂现象，经过长期探索和经验积累，发现产生故障的原因有清理维护不彻底、工艺操作不稳定和安装不当等方面。

(1)石墨管清理不彻底。

浓缩过程中随着磷酸浓度的逐渐提高，杂质所形成盐类的溶解度逐渐下降，在石墨换热器的换热管道内壁形成钙盐、氟盐类垢层，如果不彻底清理，垢层会越结越厚，而不易清除，换热效率逐减下降。

(2)陈旧垢层没有得到彻底清除，导致换热效率降低。

为了保证生产负荷，被迫提高进石墨换热器壳程中的蒸汽压力，虽没有超过额定的壳程压力，但是当壳程压力长期超过150 kPa(g)运行时，对石墨管还是会造成一定的机械损伤，导致石墨管破损。

(3)蒸汽带水严重。

每次浓缩清理熬煮时间一般为36 h(从停车排酸到出成品酸)，停车时间较长，蒸汽管线内的残余蒸汽易冷凝成水，且黄麦岭公司浓缩使用的蒸汽是发电后的低压蒸汽，汽水混合物量大，在浓缩装置开车前不彻底排尽蒸汽管道内的残余冷凝水，汽水混合物会进入石墨换热器，产生汽水沸腾现象，影响石墨换热
器的安全运行。

(4)旁路及主路升温速率过快。

操作规程要求暖管时间大于或等于30 min，主路升温时，升温速率过快，每小时温升大于5 ℃，造成石墨管，尤其是管板(上管板厚30 cm，下管板厚40 cm)在升温过程中温差过大，石墨管局部受热不均匀，膨胀
量差异较大，也容易造成石墨管及管板的损伤。

(5)蒸汽超温。

蒸汽温度大于120 ℃，超过了工艺指标要求。

(6)换热器支座受力不匀或歪斜(超出进出口膨胀节的调节范围)，石墨构件承受机械挤压或撞击。

(7)换热器浮动端结垢或压环受力不匀，伸缩受限。

以上7种因素中，前5种情况较普遍，损伤情况也以石墨管损伤较常见。

多次的
违规操作及不当的维护出现后2种情况，会造成换热器石墨管板的破裂，当然同
时还伴随石墨管的损伤。

3.1.2 换热管破裂故障的修复
在少数石墨管破裂的情况下可采用石墨堵头堵管的办法解决(此方法已在各使用单
位普遍应用)，在超过30%的换热面积后，只有更新设备或更换破损石墨管。

2003年2月，黄麦岭公司曾出现一次性爆管183根的恶性事故，后经更换换热管后恢复使用。

3.2 石墨管板产生裂纹的原因分析及修复
石墨换热器管板属换热器关键核心部件，直接影响全系统生产，特别是在无备用设备的情况下，修补是维持系统生产的唯一选择。

石墨管板的裂纹分为横向裂纹和纵向裂纹，横向裂纹是指裂纹与换热管垂直的裂纹，纵向裂纹是指与换热管同向的裂纹。

3.2.1 纵向裂纹产生原因分析及修补
2014年，黄麦岭公司磷酸浓缩Ⅱ系，石墨换热器上管板发生纵向裂纹，裂纹在管
板外侧，从密封面向下长度10 cm，径向深度8 cm，导致磷酸泄漏。

(1)原因分析。

一是管道长期泄漏磷酸淤积在换热器支座底部，腐蚀支座导致换热
器安装的支座局部悬空，管板受不均衡外力挤压；二是低压蒸汽管道中冷凝液排泄不畅，在蒸汽压力波动时出现异常冲击，石墨换热器运行过程中晃动频繁。

(2)修补方案。

经与厂家反复沟通，因裂纹径向深度只有8 cm，未贯通至换热管，只保证上密封面无泄漏即可。

我们确定了钻孔修复方案，修补分2次进行。

第1次：①在管板裂纹处隔离出相对封闭环境；②冷凝水彻底清洗，丙酮清洗，电吹风烘干；③沿外壁裂纹均匀划线确定钻孔中心点，孔外圆距上密封面6 mm，孔间
距26 mm，匀速钻孔，钻孔直径16 mm，深度40 mm(见图3)；④清理孔中石
墨粉，用丙酮清洗，电吹风烘干0.5～1 h；⑤注入石墨酚醛粘接剂，压入准备好
的φ15.5×35石墨棒；⑥清理表面残余，对修复部位用1 000 W碘钨灯保温6～
8 h，保证粘接剂充分固化；⑦打磨机磨平修补部位。

第2次：①进行第2次钻孔，孔中心点定于第1次相邻两孔连线的中点处，间距26 mm，重复③～⑦工序(见
图3)；②密封面裂缝采用角磨机沿裂缝打磨出面宽6 mm的V形槽，充填粘接剂，充分固化后，打磨平整；③丙酮清洗检查，眼观无裂纹，试压无渗漏即可。

此次修补后运行至今未出现反复。

图3 裂纹修复钻孔示意
3.2.2 横向裂纹产生原因分析及修补
2015年，该石墨换热器下管板发生横向裂纹，裂纹在管板外侧，环向长度120 cm，最深处深度约30 cm，导致磷酸泄漏(见图4)。

图4 管板外侧环向裂纹
(1) 原因分析。

一是石墨换热器顶部封头长期泄漏，泄漏的磷酸沿壳体不仅腐蚀了换热器浮动端连接螺栓、换热器管板与填料压环，还在管板外表面形成垢层，影响换热器自由伸缩；二是压环内表面腐蚀不均匀，局部受力，填料受力不匀。

为减小
泄漏量，局部螺栓受力过大，在长期冲击载荷作用下，造成管板横向裂纹产生。

(2)修补方案。

首先排净设备中液体，清水冲洗后对壳程进行水压试漏，找出破损
之管道(15根)，充分烘干后，采用常规方法封堵上端石墨管，下管板则采取深度
封堵，即封堵位置推进到横向裂纹以上30～40 mm处，封堵材料不变(φ36×40
石墨棒)；然后经二次试漏，确认管裂纹泄漏被消除；最后按处理纵向裂纹相同方
法沿裂纹钻孔修补。

此次修补后运行至今未出现反复。

(3)修补用石墨酚醛粘接剂的配方。

修补时石墨酚醛粘接剂的配方：酚醛树脂(2130#，黏度4#杯：1 000～2 000 s)1 000 g左右，石墨粉700 g左右，苯磺
酰氯(粒度<120目，含量>92%)25～80 mL。

需要注意：①石墨粉加入量视树脂
黏度可增减；②苯磺酰氯加入量视气温调整，气温高时少加；③先将苯磺酰氯与树脂拌匀后加石墨粉拌匀；④胶结面应无油、无粉尘、干燥。

(4)石墨管板修补应注意的问题：①裂纹部位的清洗要彻底；②裂纹中水分要烘干；
③钻孔力度要合适，避免不均衡冲击；④粘接剂流动性要适度。

4 结语
管壳式石墨换热器必须严格按操作规程操作(控制温度、压力及稀磷酸流量)及按周期彻底清理，及时排除受力不匀和腐蚀设备部件，才可确保石墨换热器连续、均衡、稳定及长周期运行。

从以上维修实例来看，只是实现了使用要求，并不能恢复设备原有性能技术要求，修复不仅费力费时，而且修复后的设备部件强度相比原件明显变低(只对表层40 mm进行了修补，内部裂纹依然存在)，对异常条件的适应性更差，若管板再出现损坏，修复质量的可控性更低，此时，生产单位要做好更换石墨换热器的准备。

参考文献：
【相关文献】
[1] 张石铭，高家驹. 钢制压力容器——设计理论基础及安全监察要求[M].湖北：湖北科学技术出版社，1993.
[2] 王志魁，莫锡荣. 化工原理(第四章传热)[M]. 北京：化学工业出版社，1991.
[3] 李士贤，姚建，林定浩.腐蚀与防护全书——《石墨》[M].北京：化学工业出版社，1991.
[4] HG/T 3112—2011，浮头列管式石墨换热器[S].
[5] 许志远.石墨制化工设备[M].北京：化学工业出版社，2003.。