原油處理系統(tǒng)脫水換熱器技術問題分析及對策

原油處理系統(tǒng)脫水換熱器技術問題分析及對策

熱媒技術特點菊島中心2號平臺位于濱水25區(qū)的主體部分。它每年負責150萬噸原油的預處理和輸出工藝。原油、天然氣分離和外部原油輸送對原油溫度有嚴格的要求。該平臺原油加熱使用的熱媒換熱系統(tǒng)主要由3臺GL4700C—DY/1.6—QCY型熱媒加熱爐、4臺熱媒泵、1個10m3熱媒膨脹罐、2臺原油換熱器、1臺外輸換熱器和1臺熱水換熱器組成。系統(tǒng)傳熱介質(zhì)為T-55導熱油,原油走殼程,熱媒油走管程。與其它原油加熱方式相比,熱媒換熱技術具有以下優(yōu)點:①熱媒爐的熱效率可達90%以上;②自動化程度高,包括自動點火控制系統(tǒng)、自動超溫控制系統(tǒng)、自動流量控制系統(tǒng)及燃燒器自動吹滅系統(tǒng)等;③安全性能好,先進的熱媒爐可通過DCS集散控制實現(xiàn)與總控制室的遠程控制,一般可以安全運行10年以上,可實現(xiàn)無人職守;④運行過程中安全、可靠,其運行費用較一般的熱爐低;⑤該系統(tǒng)熱效率高,占地面積小,可直接使用分離出的天然氣作燃料,更好地滿足海上生產(chǎn)的需要。熱媒換熱系統(tǒng)存在的問題埕島中心二號平臺熱媒系統(tǒng)于1998年正式啟運,該熱媒換熱器屬于折流板管殼式換熱器中的一種類型。在裝置工藝性能方面暴露出一些問題,特別是在耐沖擊、抗振動方面比較突出,多次因換熱管與管板焊縫開裂而造成熱媒油滲漏而返廠更新。為此,筆者從實際應用中的失效形式入手,深入開展研究,分析出造成換熱器產(chǎn)生焊口裂縫的原因,主要有以下幾種。1.管束沖擊產(chǎn)生的主要機理熱媒換熱器的結構設計是針對穩(wěn)定介質(zhì),除管板焊接處以外,其內(nèi)部換熱管均處在無支撐的自然狀態(tài)下,使內(nèi)部換熱管不具備抵抗沖擊的能力。而實際上,進入換熱器的流體為原油、水、天然氣的混合物,當原油從管道中流入換熱器時,混合流體因體積變大,壓力降低,導致大量天然氣從流體中析出,對換熱器產(chǎn)生較大的沖擊力。沖擊力直接作用在支撐較少的管束上,管束再將振動傳到管束與管板的焊縫上,這樣長期對管束與管板之間焊縫的沖擊就會造成焊縫因疲勞等原因而產(chǎn)生裂紋。在振動引起的交變應力作用下,位于主應力方向上的裂紋迅速擴展,從而最終導致管束疲勞失效,是產(chǎn)生事故的根本原因。2.徑流換熱器速度速度原油中含有SO2、H2S等成分,具有很強的腐蝕性,并且原油在流經(jīng)換熱器時的速度較高,進一步加劇了換熱器因腐蝕和磨蝕所造成的破壞。在對一些換熱器解體過程中,可以很明顯地觀察到換熱管與管板存在較嚴重腐蝕和磨蝕,少數(shù)換熱管已經(jīng)嚴重變形,無法使用。3.產(chǎn)生焊接缺陷熱媒換熱器在焊接時所采用方法為常規(guī)焊接,在焊接時存在以下主要問題:①產(chǎn)生焊接缺陷如燒穿或未焊透;②焊接接頭處產(chǎn)生熱應力,引起應力腐蝕;③管子與管板孔之間存在間隙,殼程介質(zhì)進入到間隙之中,引起縫隙腐蝕;④焊接不銹鋼材料時,容易在熱影響區(qū)造成金相組織的改變,使耐蝕性驟降。4.高溫積碳層的形成過程熱媒系統(tǒng)中采用的傳熱介質(zhì)為T-55導熱油,主要成分為多環(huán)芳烴、醇、石油餾分。在長期高溫使用過程中,導熱油會逐漸產(chǎn)生熱裂解、熱老化。初期生成的高碳聚合物易沉積在爐體、管道內(nèi)壁,時間一長將會逐步形成中溫積碳層,致使導熱油的粘度、殘?zhí)剂吭黾?從而加快其裂解老化過程,如此循環(huán),最終將形成堅硬致密的高溫積碳層,即結垢。一旦結垢,將大大降低熱傳導效率,加速導熱油的老化失效,導致?lián)Q熱器工況變差,影響換熱器使用壽命,同時還會使調(diào)節(jié)閥控制能力下降,流量計靈敏度降低,增加了因故障而停爐的幾率。5.設備內(nèi)部活性炭結膠巖熱媒系統(tǒng)中由于熱媒換熱器刺漏,膨脹罐無隔氧措施等因素影響,容易使導熱油氧化變質(zhì),降低了熱傳導效率,也容易引起設備內(nèi)部碳化結膠。通過對T-55導熱油取樣化驗,所得到結果如表1所示。表1中的中和值表示中和1g物質(zhì)所消耗氫氧化鉀的質(zhì)量讀法(毫克氫氧化鉀每克)。由表1可以看出油樣的中和值、丙酮不溶物、高沸物等物性指數(shù)均超出行動指標,導熱油存在著嚴重的氧化和過熱問題。性能得到了顯著改進針對熱媒換熱器存在的運行缺陷,采取了多種技術措施,對換熱器的運行管理和工藝結構進行了優(yōu)化改進,使換熱器的工作性能得到了很大提高。1.對管束與管焊縫的沖擊(1)改變流速的減振措施為了減小因流速的變化而引起的沖擊,大修時在原油入口腔體內(nèi)增加1個導流筒,在換熱器內(nèi)形成一個緩沖腔,在導流筒上分布著形狀各異的導流孔,當原油進入換熱器后先進入緩沖腔,在緩沖腔內(nèi),換熱器筒體和緩沖導流筒將吸收因流速的變化而引起的沖擊能量的大部分,經(jīng)過緩沖的原油液體通過導流孔流進換熱腔與熱媒進行換熱,原油通過這一過程將大大地減少振動,從而減輕振動對管束與管焊縫的沖擊,達到延長換熱器使用壽命的目的。(2)增加管束阻尼系數(shù)在換熱器的制造過程中為了防止翅片管的相互嵌入,在每1根翅片管上均套上了由2mm厚的鋼板煨制的防嵌支撐圈,在沒有振動的工況下,可以滿足一般的工藝要求,但是,在目前的工藝情況下,無法滿足工藝要求。為了將振動降至最低,大修時,采取了2種支撐形式,一是采取部分鋼質(zhì)支撐圈用于保持翅片管的相互位置;二是再增加一部分耐溫軟質(zhì)支撐圈,要求材質(zhì)具有一定的耐溫能力和一定的硬度和柔韌性,起到吸收振動的作用。(3)增加邊側支撐板的強度在正常的工況下,換熱器的邊側折流支撐板足以滿足工藝的使用要求;但是,目前的原油工藝條件產(chǎn)生了較大的振動,在振波的沖擊下,造成換熱器筒體和懸浮的管束產(chǎn)生不同的振幅,換熱管與管板之間的焊縫在不同的振幅作用下產(chǎn)生撕裂的缺陷是不可避免的。如何加強管束的整體剛性,促使換熱器筒體和懸浮的管束保持相同的振動是避免換熱管與管板之間的焊縫撕裂的有效手段。為了裝配的需要,原廠換熱器的邊側折流支撐板與筒體之間的間隙約為10～30mm,為了增強筒體與管束的一致性,必需減小邊側折流支撐板與筒體之間的間隙,這樣,可大大地促使換熱器筒體和懸浮的管束保持相同的振幅,將作用在換熱管與管板之間焊縫的作用力降至最低,以延長換熱器的使用壽命。2.角型焊接結構的確定筆者還對施工中的焊接工藝做了如下技術改造:①打磨管端防止結點污染,控制焊接過程不發(fā)生燒穿或未焊透等缺陷;②將單面焊接改為雙面焊,要求每根換熱管與管板連接的兩側均焊接,焊接方法采用氬弧焊,焊角高為2mm;③變管板與管束前端的平齊焊接結構為管束伸出一定長度的角型焊接結構;④制造專用的工裝將管束與管板由平放位置改為立放狀態(tài),變換熱管與管板前側的垂直焊接形式為水平焊接形式,以達到角焊接的焊接要求,改造前后焊接方式對比見圖1。3.清洗工藝及設備經(jīng)認真分析設備現(xiàn)狀及結垢情況,對熱媒爐盤管和換熱器的管束進行定期清洗,每年1次。根據(jù)取樣化驗分析,爐內(nèi)結垢主要成分為:積碳、焦油、膠性物、硫化物及其酚類等。針對結垢成分和熱煤爐現(xiàn)狀,筆者對清洗藥劑、工藝過程都進行了詳細優(yōu)化。其中具體清洗工藝包括:①水沖洗,沖掉設備內(nèi)部松軟污物,同時檢測所有流程有無滲漏;②脫脂處理,清洗污垢表面導熱油,并對油污進行疏松軟化,為下步除垢清洗作好準備;③清除結垢,通過一系列化學藥劑徹底清除設備內(nèi)部形成的各種碳垢、銹蝕以及其它污物,并采用清水沖洗至出