縱向翅片管式原油熱媒換熱器失效形式分析

縱向翅片管式原油熱媒換熱器失效形式分析

一、心東南角平臺垂直翼管換熱器是廣泛應(yīng)用于化工、能源等行業(yè)的設(shè)備之一。該設(shè)備在海上勘探平臺上占地面積小的特點(diǎn)。埕島油田中心二號平臺采用的就是熱媒油爐間接加熱系統(tǒng)和鋼制管殼式縱向翅片管換熱器的組合方式。從衛(wèi)星井組平臺傳送來的低溫油氣混合物在縱向翅片管式換熱器中與高熱媒油進(jìn)行熱量交換后,以比較適合的溫度流入三相分離器進(jìn)行油、氣、水的分離,分離后的原油經(jīng)過外輸換熱器的再次加熱后向外輸出。但由于油田生產(chǎn)的特殊性和油區(qū)原油含氣量大且具有腐蝕性的影響,使得管殼式換熱器處于較為復(fù)雜的工況中,經(jīng)常引發(fā)換熱器的失效而使設(shè)備發(fā)生故障。二、換熱器的定義埕島油田中心二號平臺上使用的CP-BIU600-1.6/1.6-260-6/19-2Ⅱ原油/熱媒換熱器是縱向翅片管式換熱器,屬于管殼式換熱器的一種類型。該換熱器為U型管式結(jié)構(gòu),主要由筒體、封頭、管束、管板、折流板、接管、法蘭及膨脹節(jié)等組成,具有堅(jiān)固緊湊、體積小、效率高、安全可靠、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),其工作原理為熱媒油走管程,原油走殼程,即高溫?zé)崦接蛷娜肟诜ㄌm進(jìn)入該換熱器后,與管束和殼程中混合有油井伴生氣的低溫原油進(jìn)行熱量交換,然后從出口回歸熱媒循環(huán)系統(tǒng)(見圖1)。三、換熱管與管板焊縫破裂,引發(fā)局部失效及整體故障。根據(jù)屬性劃分,確定由于縱向翅片管式換熱器自身結(jié)構(gòu)的缺陷和海上平臺使用工況的特殊性,造成了換熱管與管板焊縫多次開裂,導(dǎo)致熱媒油滲漏并流入原油中引發(fā)設(shè)備局部失效及整體故障。為此,現(xiàn)著重對縱向翅片管式換熱器的三種失效形式進(jìn)行如下分析。1、抗沖擊能力差管束振動失效是導(dǎo)致熱媒換熱器發(fā)生事故的主要原因。埕島油田中心二號平臺上的熱媒脫水縱向翅片管式換熱器的結(jié)構(gòu)是針對加熱井組來油穩(wěn)定介質(zhì)設(shè)計(jì)的,除管板焊接處外,內(nèi)部換熱管均處在無支撐的自然狀態(tài)下,其抗沖擊的能力很差。由于平臺現(xiàn)場進(jìn)站原油中含有較多的油井伴生氣,同時換熱器內(nèi)部沒有設(shè)置抗沖擊的減速裝置,因此當(dāng)原油進(jìn)入換熱器時,伴生氣體(CH4等)突然發(fā)生體積的變化而改變流速,在進(jìn)入縱向翅片管式換熱器后會產(chǎn)生較大的沖擊力并直接作用于管束上,管束再將振動波傳到管束與管板的焊縫上,這樣長期頻繁的沖擊就造成了焊縫因疲勞等原因而產(chǎn)生裂紋,在振動引起的交變應(yīng)力作用下,位于主應(yīng)力方向上的裂紋迅速擴(kuò)展,從而最終導(dǎo)致管子因焊縫疲勞開裂而失效。2、熱媒油加熱原油埕島油田中心二號平臺上的縱向翅片管式換熱器是通過熱媒油加熱原油的,其換熱介質(zhì)(原油)中含有SO2、H2S等成分,具有相當(dāng)?shù)母g性,且流經(jīng)換熱器的速度較高,增加了腐蝕和磨蝕的強(qiáng)度。3、產(chǎn)生耐蝕性降低埕島油田中心二號平臺上的熱媒脫水縱向翅片管式換熱器采用的是常規(guī)單面焊接(見圖2)。該方法在焊接時易產(chǎn)生焊接缺陷(如燒穿或未焊透),焊縫接頭處產(chǎn)生的熱應(yīng)力可加速應(yīng)力腐蝕速度;殼程介質(zhì)易進(jìn)入管子與管板孔的間隙死角中還會引起縫隙腐蝕;焊接不銹鋼材料時,在熱影響區(qū)會造成金相組織的改變,使耐蝕性驟降。此外,縱向翅片管式換熱器還不同程度地受到介質(zhì)腐蝕、應(yīng)力腐蝕等腐蝕失效及管束泄漏失效等形式的影響。四、一項(xiàng)技術(shù)改進(jìn)措施1、管束振動失敗的轉(zhuǎn)化(1)翅片管式換熱器的原理在原油入口腔體內(nèi)增加一個導(dǎo)流筒使縱向翅片管式換熱器內(nèi)部形成一個緩沖腔,通過縱向翅片管式換熱器筒體和緩沖導(dǎo)流筒吸收因流速變化引起的大部分沖擊能量。(2)改變管束支撐的形式除采取部分鋼質(zhì)支撐圈用于保持翅片管的相互定位外,還增加了部分具有一定硬度和柔韌性并可起到吸收振動作用的耐熱軟塑料材質(zhì)支撐圈。(3)管束的整體剛性減小邊側(cè)折流支撐板與筒體的間隙,加強(qiáng)管束的整體剛性,使換熱器筒體和懸浮的管束保持相同的振幅,以避免縱向翅片管式換熱管與管板間的焊縫撕裂。2、對管架侵蝕和磨損的影響(1)定期清洗管束。(2)在流體中加入緩蝕劑。(3)選擇適當(dāng)流速。(4)在流體入口處設(shè)置過濾裝置等。3、變管板與管束的焊接(1)改進(jìn)焊接工藝,將單面焊接改為雙面焊以加強(qiáng)換熱管與管板之間的焊縫強(qiáng)度(見圖3)。焊接時,必須在打磨管道端口后,采用氬弧雙面焊方法,變管板與管束前端的平齊焊接結(jié)構(gòu)為管束伸出一定長度的角型焊接結(jié)構(gòu),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(cè)的垂直焊接形式為水平焊接形式,以確保達(dá)到角焊接的焊接要求,每根換熱管與管板連接的兩側(cè)焊接牢固。五、系統(tǒng)綜合檢修費(fèi)的計(jì)算改造后的縱向翅片管式換熱器的使用壽命是改造前的2倍,由于壽命延