高压换热器的材质选择及生产维护

高压换热器的材质选择及生产维护

张国伟

（操作工气化四班气化车间烯烃公司）

摘要：神华宁煤烯烃GSP气化技术的多数换热器都是高压换热器，现就高压换热设备的材质、种类、应用介质、及其正常生产中的投用和正常维护中可能出现的问题进行论述，提出改进措施，为生产维护提供理论支撑。

关键字：高压，换热器，投用，维护，

引言：在神宁集团烯烃公司，由于GSP气化技术的操作压力较高，很多换热设备都是高压列管式按热器，固其管内外压差相差较大，在投用设备时，可能由于均压不利导致设备打穿，并且经长周期运行后个别列管很可能发生破裂而致使高压侧介质大量泄漏到低压侧，进而造成了设备事故。因此对不同的介质选择不同的设备，并且就生产中常见的问题提出解决方案势在必行。

1 材料选择

高压换热器的选材同加氢反应器的选材原则相同。不同的是高压换热器的管程和壳程分别经过的是两种介质或温度、压力各异的同一种水、气。因此，应分别根据管程和壳程的介质压力和操作温度，按纳尔逊曲线来分别确定管程和壳程简体的基体用材。随着压力和操作温度的升高，管程和壳程筒体的基材可分别选用碳钢、1Cr－0.5Mo、1.25Cr－0.5Mo、2.25Cr －1Mo直至3.OCr－1Mo－0.25V或2.25Cr－1Mo－0.25V钢。随后，再根据介质中含H2S的量来确定是否应在基材上堆焊不锈钢。

一般情况下，它选用的基材和堆焊层完全同前面的反应器一样。换热器管板选材比较复杂。管板是隔开管程与壳程流体且固定换热管的一个重要受压元件。它的操作条件最苛刻，它承受着管程和壳程中的任意一侧的最高压力和最高温度，所以它的用材一般不低于管程和壳程中较高一侧的用材。例如：一台换热器管程的基材选用2.25Cr－1Mo钢，壳程的选材为1.25Cr－0.5Mo钢，那么，它的管板基材就不应低于2.25Cr-1Mo钢。

除了管板基材的选用外，管板上防腐层的设置也很重要。因为管板上要加工许多换热管孔。而做管板用的复合钢板上的个别缺陷会因管孔加工而扩大或无法修补。所以，管板上的防腐层一般为堆焊形式，堆焊层一般为双层式，即过渡层（E309L型）和表层（E347型）。堆焊层的设置一般有如下几种情况：

①管程侧有H2S腐蚀，壳程无H2S腐蚀，则应在管板的管程侧堆焊双层不锈钢。

②管程侧无H2S腐蚀，壳程有H2S腐蚀，则应在管板的管程和壳程双侧堆焊双层不锈钢。这是因为壳程有H2S腐蚀时，换热管要用Cr－Ni型不锈钢管。而换热管与管板的焊接点在管板的管程一侧。为避免换热管与管板间的异种钢焊接（奥氏体不锈钢与Cr一Mo钢），管程侧也应有不锈钢堆焊层。这是结构设计的需要，而壳程的堆焊层则纯粹是为防腐而设置的。

③管程侧有H2S腐蚀，同时壳程也有H2S腐蚀，则应在管板的管程和壳程双侧堆焊双层不锈钢。

④当管板两侧都要堆焊，工艺十分繁琐，也并不经济时，整体管板选用不锈钢锻钢（或钢板）也是可行的和常见的。

由于传热效率的需要，换热管的壁厚一般不会太厚。如：φ25X2.5（或φ19X2）无缝钢管。为了提高其抗腐蚀寿命，一般高压换热器的换热管材质均选用TP321或E347型不锈钢。

2 结构选择

高压换热器的结构形式有两种：一种是与普通低压换热器相似的大法兰式。另一种是螺纹锁紧环式。大法兰式高压换热器存在易泄漏的缺点，特别是在开工、停工或温度变化的阶段，更加容易发生泄漏；而且，带压带温时无法紧固大螺栓以排除泄漏。尤其是当选用的高

压换热器直径较大时（内径大于1000mm），由于加工机具的限制，大法兰的密封面加工精度难以保证，从而可能会给未来操作中的密封带来困难。

国外首先研制出了螺纹锁紧环高压换热器（如图1.1所示）。它与大法兰式换热器的区别主要在管箱与管板的连接结构上。大法兰式换热器的管箱是靠管箱大法兰、壳体大法兰夹持管板用密封垫片来密封的。要压紧垫片就必须紧固大法兰上的大螺栓。这样大螺栓既要承担垫片反力，而且还要承担法兰上的内压载荷。尤其在高压时，这个内压载荷非常大。因此，所用大螺栓的直径很大，导致大螺栓连接的两个法兰的外径很大，法兰盘很厚，结构相当笨重。螺纹锁紧环高压换热器的结构正是解决了大法兰结构笨重、密封困难这两大问题。从图1.1中可以看出，外圈螺栓只承担压紧“外密封垫片”一种功能。而内压载荷和垫片反力则作用在“螺纹承压环”上。压紧外密封垫片是通过下列零件的力传递实现的：外圈压紧螺栓外压杆外压圈密封盘外密封垫片。另外还有一个内密封垫片，它起着将管程与壳程分隔密封的作用。压紧内密封垫片是通过下列零件的力传递实现的：内圈螺栓-内压杆-内压圈- 密封盘-管箱内套筒-管板-内密封垫片。同样，内密封垫片的反力最终也传给“螺纹承压环”。内圈螺栓也只承担压紧“内密封垫片”一种功能。“螺纹承压环”上粗大的梯形外螺纹与管箱筒体上的内螺纹咬合后承担内、外圈螺栓的反力和内压力载荷。在操作过程中，可以随时通过拧紧内圈压紧螺栓来调整内密封垫片，排除泄漏。

1.1螺纹锁紧环高压换热器

在满足工艺流程要求的前提下，如果让压力较高的介质经过管程侧，而让压力较低的介质经过壳程。那么管壳程的压力差对内密封垫片会形成一个自紧力，达到良好的密封效果。这样整个结构就可以简化。

螺纹锁紧环高压换热器的缺点是，结构复杂，机加工件多，各部件间配合精度要求高，给制造和装配带来很大不便。因此需要有一定制造经验且装备精良的厂家进行专业化、规模

化生产。

3 高压换热器管束的选择

由于浮头式换热器内部有一套笨重的浮动管板及密封部件，既浪费材料，又容易产生内漏。而固定管板换热器不适用于高压工况和管壳程需要经常清洗的场合。只有U形管管束并易抽出清洗，结构简单，热膨胀自由，节省材料，制造维修简单，管、壳程间不易串漏。因而高压换热器的管束多为U形管形式。

4高压换热器的问题分析

对于高压换热器的内漏，主要有以下几种情况：(1)管束换热管与固定管板的结合处因为腐蚀或者焊接质量问题发生泄漏；(2)换热管束当中的某一根或几根因为腐蚀或者存在其它缺陷而穿孔造成泄漏；(3)固定管板存在裂纹造成泄漏；(4)换热器浮头密封失效而泄漏；(5)管板与大盖连接密封失效而泄漏。

经过分析认为有以下三个方面造成内漏：

(1)螺栓预紧力不够[1]。为保证密封系统紧密不漏，安全可靠地长周期运行，垫片表面必须有足够的密封比压。过小的螺栓预紧力使受压后垫片表面的残余压紧应力达不到工作密封比压，从而导致密封面泄漏。(2)温度变化。随着工艺介质(含杂质的高压循环水)组分和进料量的变化，反应器出口温度的波动，换热器的工作温度在不断变化。而在高温和温度波动的工况下，螺栓容易产生热变形，导致垫片松弛，密封面发生泄漏。(3)压力升降。在操作过程中系统压力并不是恒定不变的，而是在一定的范围内波动，特别是在装置非正常生产的情况下，压力波动幅度相当大，有可能超出工作压力1～2 MPa，也有可能紧急泄压到2～3 MPa。压力在波动过程中，势必造成螺栓的不断伸缩，以补偿压力升降导致的密封比压的变化。在压力不断变化过程中，螺栓的疲劳强度降低，相应的补偿压力达不到密封要求，最终造成密封失效，换热器内漏。

针对泄漏的原因，具体采取了以下措施：(1)减少螺栓应力集中部位，在加工完毕后，对螺栓采取固溶等热处理措施，消除螺栓内部的残余应力，提高螺栓的抗疲劳强度[2]。(2)更换垫片[3]，原来浮头采用的齿形复合垫在安装时需要足够的预紧力才能保障密封面不泄漏，但是在工作过程中齿形垫片的回弹能力小，在外界因素发生变化时没有足够大的变形来满足密封要求，而波齿复合垫正好由于其回弹力大的优点能满足密封要求。(3)在回装浮头和大盖时，螺栓一定要均匀、对称拧紧，并且要有足够的预紧力。(4)平稳操作，尽可能减少温度和压力的波动。(5)在浮头和大盖螺栓两侧安装高温碟簧，使换热器浮头和大盖在温度、压力的频繁波动下，碟簧有足够的变形来补偿因此而引起的预紧力的改变，防止螺栓和垫片失效。

结论：本文通过高压换热器生产运行中的实际情况，对换热器的材料选择及生产中出现的问题进行论述，并对其不同的问题提出了预防措施及改进措施。

参考文献：

[1]初泰安．螺栓拧紧方法及预紧力控制[J]．化工设备与管道，2005，42(3)：40-42．

[2]张卫山．螺栓联接疲劳强度的提高[J]．机械工艺师，1995，(9)：10-21．

[3]中国机械工业联合会．GB／T 19066．3—20o3柔性石墨金属波齿复合垫片．技术条件[s]．北京：中国标准出版社，2008．