管殼式石墨換熱器管板裂紋修復(fù)

(1.湖北省黃麥嶺磷化工有限責(zé)任公司，湖北 大悟 432818；2.西北師范大學(xué)，甘肅 蘭州 730070)

管殼式換熱器又稱列管式換熱器(按結(jié)構(gòu)分為固定式和浮頭式兩種)[1]，是以封閉在殼體中管束的壁面作為傳熱面的間壁式換熱器。磷化工裝置中磷酸濃縮工段普遍采用管殼式石墨換熱器作為換熱設(shè)備(見圖1)，且為關(guān)鍵核心工藝設(shè)備。換熱器外殼及上下封頭一般使用金屬材料，換熱管及管板采用石墨化材質(zhì)[2]。但石墨具有易脆裂，抗彎和抗拉強度低的特點，導(dǎo)致該類設(shè)備容易損壞，且維修難度大。經(jīng)過多次反復(fù)試驗，筆者將湖北省黃麥嶺磷化工公司(以下簡稱黃麥嶺公司)磷酸濃縮Ⅱ系石墨換熱器石墨管板維修已取得的成功經(jīng)驗進行歸納和總結(jié)，希望能給同行借鑒。

圖1 管殼式石墨換熱器

1 管殼式石墨換熱器操作與使用

管殼式石墨換熱器耐腐蝕性好，具有優(yōu)越的換熱性能，傳熱面不易結(jié)垢，使用相對較低溫度的飽和蒸汽(120 ℃)即可完成對物料的加熱，節(jié)能的同時避免了高溫產(chǎn)生的結(jié)垢[3]。因其易脆裂，抗彎和抗拉強度低，所以只能用于低壓、承壓能力較好的塊孔狀結(jié)構(gòu)，其工作壓力一般也僅為1.0～1.1 MPa[4]。

石墨換熱器操作和使用中一般要求避免形成水錘沖擊；使用過程中嚴格控制介質(zhì)的溫度、 壓力， 避免超指標(biāo)運行， 杜絕快速升降溫、升降壓現(xiàn)象；如石墨換熱設(shè)備被冷卻介質(zhì)為高溫氣體， 則應(yīng)禁止隨意中斷冷卻介質(zhì)，更不能讓冷卻介質(zhì)液位降至石墨件以下；使用過程中，浮動端法蘭緊固力度要適度，確保在設(shè)備內(nèi)殼體與石墨管束間熱脹冷縮時能自由滑動。為此，浮動端盡量采用彈簧螺栓(見圖2)[5]。

圖2 石墨換熱器結(jié)構(gòu)

2 黃麥嶺磷酸濃縮石墨換熱器基本工況

2.1 工藝流程

石墨換熱器一般成本高、體積大，黃麥嶺公司磷酸濃縮工段使用浮頭式石墨換熱器。規(guī)格型號為φ1 791 mm×10 515 mm，換熱面積 568.2 m2。換熱管總數(shù)量649根，石墨管規(guī)格為φ38.1 mm×50.8 mm，由西格里石墨技術(shù)(上海)有限公司生產(chǎn)。

來自酸貯槽的26%～28%稀磷酸與低壓蒸汽在石墨換熱器中換熱后，經(jīng)強制循環(huán)泵循環(huán)，在濃縮閃蒸室真空條件下蒸發(fā)出45%～48%的濃磷酸，并輸送至濃磷酸貯槽貯存。大量水蒸氣與殘余的含氟氣體經(jīng)大氣冷凝器冷卻后進入循環(huán)水系統(tǒng)，不凝性氣體被真空噴射器排入大氣。低壓蒸汽經(jīng)石墨換熱器換熱后產(chǎn)生部分冷凝水，送往除鹽水站或供反應(yīng)工序二次利用。

2.2 換熱器規(guī)格及主要技術(shù)參數(shù)

換熱器規(guī)格及主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 換熱器規(guī)格及主要技術(shù)參數(shù)

注：石墨管導(dǎo)熱系數(shù)為0.603 W/(m·℃)；換熱面積為568.2 m2；換熱量為7.18×107kJ/h；外形尺寸為φ1 791 mm×10 515 mm。

3 黃麥嶺石墨換熱器管板裂紋故障修復(fù)

3.1 換熱管破裂原因分析及修復(fù)

3.1.1換熱管破裂原因

黃麥嶺公司濃縮工段石墨換熱器在使用中曾發(fā)生過多次大批量管子破裂現(xiàn)象，經(jīng)過長期探索和經(jīng)驗積累，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生故障的原因有清理維護不徹底、工藝操作不穩(wěn)定和安裝不當(dāng)?shù)确矫妗?/p>

(1)石墨管清理不徹底。濃縮過程中隨著磷酸濃度的逐漸提高，雜質(zhì)所形成鹽類的溶解度逐漸下降，在石墨換熱器的換熱管道內(nèi)壁形成鈣鹽、氟鹽類垢層，如果不徹底清理，垢層會越結(jié)越厚，而不易清除，換熱效率逐減下降。

(2)陳舊垢層沒有得到徹底清除，導(dǎo)致?lián)Q熱效率降低。為了保證生產(chǎn)負荷，被迫提高進石墨換熱器殼程中的蒸汽壓力，雖沒有超過額定的殼程壓力，但是當(dāng)殼程壓力長期超過150 kPa(g)運行時，對石墨管還是會造成一定的機械損傷，導(dǎo)致石墨管破損。

(3)蒸汽帶水嚴重。每次濃縮清理熬煮時間一般為36 h(從停車排酸到出成品酸)，停車時間較長，蒸汽管線內(nèi)的殘余蒸汽易冷凝成水，且黃麥嶺公司濃縮使用的蒸汽是發(fā)電后的低壓蒸汽，汽水混合物量大，在濃縮裝置開車前不徹底排盡蒸汽管道內(nèi)的殘余冷凝水，汽水混合物會進入石墨換熱器，產(chǎn)生汽水沸騰現(xiàn)象，影響石墨換熱器的安全運行。

(4)旁路及主路升溫速率過快。操作規(guī)程要求暖管時間大于或等于30 min，主路升溫時，升溫速率過快，每小時溫升大于5 ℃，造成石墨管，尤其是管板(上管板厚30 cm，下管板厚40 cm)在升溫過程中溫差過大，石墨管局部受熱不均勻，膨脹量差異較大，也容易造成石墨管及管板的損傷。

(5)蒸汽超溫。蒸汽溫度大于120 ℃，超過了工藝指標(biāo)要求。

(6)換熱器支座受力不勻或歪斜(超出進出口膨脹節(jié)的調(diào)節(jié)范圍)，石墨構(gòu)件承受機械擠壓或撞擊。

(7)換熱器浮動端結(jié)垢或壓環(huán)受力不勻，伸縮受限。

以上7種因素中，前5種情況較普遍，損傷情況也以石墨管損傷較常見。多次的違規(guī)操作及不當(dāng)?shù)木S護出現(xiàn)后2種情況，會造成換熱器石墨管板的破裂，當(dāng)然同時還伴隨石墨管的損傷。

3.1.2換熱管破裂故障的修復(fù)

在少數(shù)石墨管破裂的情況下可采用石墨堵頭堵管的辦法解決(此方法已在各使用單位普遍應(yīng)用)，在超過30%的換熱面積后，只有更新設(shè)備或更換破損石墨管。 2003年2月，黃麥嶺公司曾出現(xiàn)一次性爆管183根的惡性事故，后經(jīng)更換換熱管后恢復(fù)使用。

3.2 石墨管板產(chǎn)生裂紋的原因分析及修復(fù)

石墨換熱器管板屬換熱器關(guān)鍵核心部件，直接影響全系統(tǒng)生產(chǎn)，特別是在無備用設(shè)備的情況下，修補是維持系統(tǒng)生產(chǎn)的唯一選擇。

石墨管板的裂紋分為橫向裂紋和縱向裂紋，橫向裂紋是指裂紋與換熱管垂直的裂紋，縱向裂紋是指與換熱管同向的裂紋。

3.2.1縱向裂紋產(chǎn)生原因分析及修補

2014年，黃麥嶺公司磷酸濃縮Ⅱ系，石墨換熱器上管板發(fā)生縱向裂紋，裂紋在管板外側(cè)，從密封面向下長度10 cm，徑向深度8 cm，導(dǎo)致磷酸泄漏。

(1)原因分析。一是管道長期泄漏磷酸淤積在換熱器支座底部，腐蝕支座導(dǎo)致?lián)Q熱器安裝的支座局部懸空，管板受不均衡外力擠壓；二是低壓蒸汽管道中冷凝液排泄不暢，在蒸汽壓力波動時出現(xiàn)異常沖擊，石墨換熱器運行過程中晃動頻繁。

(2)修補方案。經(jīng)與廠家反復(fù)溝通，因裂紋徑向深度只有8 cm，未貫通至換熱管，只保證上密封面無泄漏即可。我們確定了鉆孔修復(fù)方案，修補分2次進行。第1次：①在管板裂紋處隔離出相對封閉環(huán)境；②冷凝水徹底清洗，丙酮清洗，電吹風(fēng)烘干；③沿外壁裂紋均勻劃線確定鉆孔中心點，孔外圓距上密封面6 mm，孔間距26 mm，勻速鉆孔，鉆孔直徑16 mm，深度40 mm(見圖3)；④清理孔中石墨粉，用丙酮清洗，電吹風(fēng)烘干0.5～1 h；⑤注入石墨酚醛粘接劑，壓入準備好的φ15.5×35石墨棒；⑥清理表面殘余，對修復(fù)部位用1 000 W碘鎢燈保溫6～8 h，保證粘接劑充分固化；⑦打磨機磨平修補部位。第2次：①進行第2次鉆孔，孔中心點定于第1次相鄰兩孔連線的中點處，間距26 mm，重復(fù)③～⑦工序(見圖3)；②密封面裂縫采用角磨機沿裂縫打磨出面寬6 mm的V形槽，充填粘接劑，充分固化后，打磨平整；③丙酮清洗檢查，眼觀無裂紋，試壓無滲漏即可。此次修補后運行至今未出現(xiàn)反復(fù)。

圖3 裂紋修復(fù)鉆孔示意

3.2.2橫向裂紋產(chǎn)生原因分析及修補

2015年，該石墨換熱器下管板發(fā)生橫向裂紋，裂紋在管板外側(cè)，環(huán)向長度120 cm，最深處深度約30 cm，導(dǎo)致磷酸泄漏(見圖4)。

圖4 管板外側(cè)環(huán)向裂紋

(1) 原因分析。一是石墨換熱器頂部封頭長期泄漏，泄漏的磷酸沿殼體不僅腐蝕了換熱器浮動端連接螺栓、換熱器管板與填料壓環(huán)，還在管板外表面形成垢層，影響換熱器自由伸縮；二是壓環(huán)內(nèi)表面腐蝕不均勻，局部受力，填料受力不勻。為減小泄漏量，局部螺栓受力過大，在長期沖擊載荷作用下，造成管板橫向裂紋產(chǎn)生。

(2)修補方案。首先排凈設(shè)備中液體，清水沖洗后對殼程進行水壓試漏，找出破損之管道(15根)，充分烘干后，采用常規(guī)方法封堵上端石墨管，下管板則采取深度封堵，即封堵位置推進到橫向裂紋以上30～40 mm處，封堵材料不變(φ36×40石墨棒)；然后經(jīng)二次試漏，確認管裂紋泄漏被消除；最后按處理縱向裂紋相同方法沿裂紋鉆孔修補。此次修補后運行至今未出現(xiàn)反復(fù)。

(3)修補用石墨酚醛粘接劑的配方。 修補時石墨酚醛粘接劑的配方：酚醛樹脂(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石墨粉加入量視樹脂黏度可增減；②苯磺酰氯加入量視氣溫調(diào)整，氣溫高時少加；③先將苯磺酰氯與樹脂拌勻后加石墨粉拌勻；④膠結(jié)面應(yīng)無油、無粉塵、干燥。

(4)石墨管板修補應(yīng)注意的問題：①裂紋部位的清洗要徹底；②裂紋中水分要烘干；③鉆孔力度要合適，避免不均衡沖擊；④粘接劑流動性要適度。

4 結(jié)語

管殼式石墨換熱器必須嚴格按操作規(guī)程操作(控制溫度、壓力及稀磷酸流量)及按周期徹底清理，及時排除受力不勻和腐蝕設(shè)備部件，才可確保石墨換熱器連續(xù)、均衡、穩(wěn)定及長周期運行。從以上維修實例來看，只是實現(xiàn)了使用要求，并不能恢復(fù)設(shè)備原有性能技術(shù)要求，修復(fù)不僅費力費時，而且修復(fù)后的設(shè)備部件強度相比原件明顯變低(只對表層40 mm進行了修補，內(nèi)部裂紋依然存在)，對異常條件的適應(yīng)性更差，若管板再出現(xiàn)損壞，修復(fù)質(zhì)量的可控性更低，此時，生產(chǎn)單位要做好更換石墨換熱器的準備。