海洋石油161平臺主機高、低溫水冷卻器的優(yōu)化改造

宋 力，謝 強，王 超

(中海油能源發(fā)展采油服務公司 天津 300452)

1 優(yōu)化改造背景

1.1 主機冷卻水系統(tǒng)簡介

海洋石油161平臺H16V190ZLT1-2型號主機采用雙溫循環(huán)冷卻系統(tǒng)，分別稱為“高溫冷卻循環(huán)系統(tǒng)”和“低溫冷卻循環(huán)系統(tǒng)”，如圖1所示。

圖1 主機冷卻系統(tǒng) Fig.1 Cooling system of main engine

高溫循環(huán)冷卻系統(tǒng)主要由高溫水泵、前排散熱器(高溫水冷卻器)等組成。高溫水泵將前排散熱器內(nèi)的冷卻水壓送到機體右側(cè)水道內(nèi)，然后通過飛輪端中間串水管送入機體左側(cè)水道。進入機體的冷卻水流經(jīng)氣缸冷卻水套后由機體上部串水孔統(tǒng)進入氣缸蓋水腔，再由氣缸蓋上端面出水口進入氣缸蓋回水管。2排回水管匯合后經(jīng)出水總管流回前排散熱器。循環(huán)出水溫度一般控制在75～85℃范圍內(nèi)。

低溫循環(huán)冷卻系統(tǒng)主要由低溫水泵、中冷器、機油冷卻器和后排散熱器(低溫水冷卻器)等組成。低 溫水泵將后排散熱器內(nèi)的冷卻水壓送至中冷器內(nèi)，再流經(jīng)機油冷卻器流回后排散熱器內(nèi)。循環(huán)水溫一般控制在45℃。

1.2 高、低溫水冷卻器

海洋石油161平臺燃氣主機高、低溫水冷卻器分別采用FJ-03、FJ-04型管殼式換熱器。冷卻器由圓管形殼體、端蓋、冷卻芯子組、防腐裝置及其他附件組成[1]。為便于泄放殼體內(nèi)的介質(zhì)，在殼體最低位焊有放泄螺塞，殼體最高位置設有放氣螺塞。為防止零件受冷卻水的腐蝕，在端蓋內(nèi)側(cè)位置設有防腐鋅棒(塊)裝置。

該型換熱器有節(jié)能、高效，傳熱系數(shù)高；改層流為湍流，換熱效率高，熱阻低；換熱速度快，耐高溫、高壓；結(jié)構(gòu)設計緊湊，便于安裝；等等特點。冷卻器整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 原冷卻器設計圖紙 Fig.2 Design drawing of original cooler

高、低溫水冷卻器運行使用要求如下：冷卻器熱交換性能降低或阻力增高時應及時清洗；冷卻器熱交換溫度未達到設計指標時應及時檢查裝機進出口管路裝配是否有誤；使用中發(fā)現(xiàn)冷卻管滲漏時應及時停機換管或堵塞冷卻管兩口，其堵塞冷卻管根數(shù)不得超過總根數(shù)的5%；管板與冷卻管緊密處有滲漏現(xiàn)象時應及時再次脹管至不滲漏為止；防腐裝置每90d檢查1次，發(fā)現(xiàn)有腐蝕情況應及時用刮刀或金屬刷將鋅棒(塊)的腐蝕表層清理干凈，直至露出金屬光澤再裝上使用，若腐蝕顯著則應更換；發(fā)現(xiàn)密封及墊片有變形、老化、破裂等現(xiàn)象應及時更換。

2 現(xiàn)有問題分析

2.1 冷卻器端蓋腐蝕滲漏

原高、低溫水換熱器端蓋材質(zhì)為碳鋼，冷卻介質(zhì)為海水，被冷卻介質(zhì)為防凍液，海水壓力約0.4MPa。當海水流過冷卻器管程后直接沖擊端蓋的內(nèi)表面，加上海生物對端蓋內(nèi)表面的腐蝕，導致冷卻器端蓋腐蝕穿孔。冷卻器金屬在表面形成的氧化膜被高流速的海水破壞并帶走，金屬材料不斷損失，最終導致管體破損，如圖3所示。

圖3 高、低溫水冷卻器端蓋腐蝕 Fig.3 Corrosion of end caps of high- and lowtemperature water coolers

2.2 換熱器芯子腐蝕滲漏

換熱器管程腐蝕如圖4所示，猜測其產(chǎn)生原因有以下幾點。

圖4 高、低溫水冷卻器芯子滲漏 Fig.4 Leakage of high- and low-temperature water cooler core

2.2.1 熱應力過大

高低溫水冷卻器在使用時，由于冷、熱換熱介質(zhì)的溫度不同，殼體和芯子的溫度有所差異[2]。由于不同材質(zhì)的膨脹系數(shù)不同，于是這種溫差使殼體和芯子的膨脹不同，當冷卻器在啟停過程中溫升率、溫降率超過設計的參數(shù)時，管子和殼體受到較大的應力，可能導致管子扭曲變形、工藝連接位置的焊縫發(fā)生損壞，進而引起冷卻器端部泄漏。根據(jù)平臺在換熱器啟、停后對換熱器溫升率進行的測量，看其是否滿足換熱器設計使用范圍內(nèi)，因此，將其判定為非換熱器管程故障的主要原因。

2.2.2 沖刷侵蝕

冷卻器芯子長期受到流動速度較高的防凍液的沖刷，導致金屬表面受到?jīng)_刷腐蝕，暴露在高速流動的防凍液中的冷卻器芯子遭受到?jīng)_刷腐蝕的破壞，從而縮短了換熱器的使用壽命[3]。觀察冷卻器端蓋和芯子，能明顯看到有沖刷的痕跡，通過計算發(fā)現(xiàn)管程內(nèi)介質(zhì)流速能達到1.3m/s。因此，將沖刷侵蝕判斷為換熱器管程故障的主要原因。

2.2.3 管子振動

冷卻器芯子內(nèi)防凍液的流量和流速超過設計值較多時具有一定彈性的管子在流動介質(zhì)的擾動力作用下會產(chǎn)生振動，當此頻率與芯子固有振動頻率相近時將引起管束共振，管子與殼體的工藝連接處受到反復作用力可能導致管束疲勞損壞[2]。平臺通過換熱器運行時進行振動測量，振動值均在正常范圍內(nèi)，因此，振動不是換熱器管程故障的主要原因。

2.2.4 冷卻液pH超過冷卻器使用范圍

燃氣主機高、低溫水換熱器的管材為銅，平臺在拆卸檢查管程銅管時觀測有腐蝕現(xiàn)象。pH為8.5～8.8時銅的腐蝕率最低。通過測量發(fā)現(xiàn)平臺主機冷卻液pH介于7.5～9之間，因此，判定pH不是換熱器管程故障的主要原因。

2.2.5 材質(zhì)、工藝不良

芯子的材質(zhì)不良、管子壁厚度不均、安裝工藝不良均會導致冷卻器有原始缺陷，冷卻器遇到異常工況時易引起芯子內(nèi)部的管程大量損壞；或在冷卻器加工過程中，如預熱、焊縫位置及尺寸不合適，都會造成管程與殼體連接部位的損傷[4]。高、低溫水換熱器均由正規(guī)廠家提供，產(chǎn)品出廠也都有合格證，實物觀測也未發(fā)現(xiàn)明顯的工藝不良現(xiàn)象，因此，判定材質(zhì)、工藝不良不是換熱器管程故障的主要原因。

3 優(yōu)化改造方案

針對高、低溫水冷卻器現(xiàn)有問題分析結(jié)果，制定出以下優(yōu)化改造方案。

3.1 更換高、低溫水冷卻器材質(zhì)

鈦合金具質(zhì)量輕、強度大、機械力學性能優(yōu)越等多種優(yōu)點，在各種介質(zhì)中均有良好的耐腐蝕性，且鈦合金中金屬離子不易流失，抗沖刷能力較強。

3.2 對換熱器重新設計

對現(xiàn)場高低溫水換熱器故障現(xiàn)象進行分析，判斷出故障頻繁的主要原因為換熱介質(zhì)快速流動沖刷導致的腐蝕。根據(jù)傳熱方程式：

式中：Q為傳熱熱量；K為傳熱系數(shù)；F為傳熱面積；△Tm為兩流體間的平均溫差。

為滿足主機冷卻系統(tǒng)的工況要求，兩流體間的平均溫差△Tm必須滿足要求，否則換熱量不夠會影響機組冷卻系統(tǒng)，進而影響機組正常運行。只有保證海水與冷卻液間傳熱熱量(Q)，才能達到換熱的目的，故式中傳熱系數(shù)K與傳熱面積F為變值[5]。

根據(jù)上述傳熱方程式，傳熱系數(shù)K與流速成正比，即流速越快換熱系數(shù)越大，換熱效果越好。為保證平臺的使用工況，在降低流速的情況下，K變小而適當加大傳熱面積F可以保證△tm兩流體間的平均溫差△Tm。為加大傳熱面積F，必須增加換熱管的數(shù)量和加大筒體內(nèi)直徑。經(jīng)設計計算，冷卻器的內(nèi)直徑由Φ402變更為Φ480；換熱管數(shù)量由560根增加為 920根；換熱面積由24m2增加到40m2。此處計算過程略。

側(cè)面連接口位置調(diào)整：高溫水冷卻器海水的進出口及冷卻液的進出口中心Y坐標上移 138mm，X坐標不變，配管時加長豎直方向管的長度。

低溫冷卻器的內(nèi)直徑由Φ466變更為Φ550；換熱管數(shù)量由950根增加為1480根；換熱面積由48m2增加到77m2。

側(cè)面連接口位置調(diào)整：低溫水冷卻器海水的進出口及冷卻液的進出口中心Y坐標上移 47mm，X坐標不變，配管時加長豎直方向管的長度。

3.3 增加防沖板

通過高、低溫水冷卻器故障現(xiàn)象可以發(fā)現(xiàn)腐蝕發(fā)生在海水進口的對側(cè)封頭處，原因是高低溫水冷卻器內(nèi)海水流速較高，海水流過換熱管后直接沖擊封頭的內(nèi)表面，造成封頭內(nèi)表面腐蝕。

為了防止流體直接沖刷管子而引起管子振動失穩(wěn)和腐蝕[6]，在封頭內(nèi)表面海水沖擊處增補5mm 厚鈦板，以減緩其腐蝕，增加冷卻器使用壽命，如圖5所示。

圖5 封頭增補防沖板改造設計圖 Fig.5 Design drawing of anti-impact plate reconstruction

防沖板與封頭內(nèi)表面采用密封滿焊，焊接時如不留放氣孔，則在焊接封口處易形成焊接裂紋，導致縫隙腐蝕。采用特殊焊接工藝可以有效避免此類問題，保證冷卻器的使用壽命。

4 結(jié)論和建議

對燃氣主機高、低溫冷卻器故障部位進行分析，通過目視宏觀檢查、化學取樣分析、無損探傷和重新建模計算等方法得出高低溫冷卻器故障原因主要是冷卻器內(nèi)部換熱介質(zhì)快速流動沖刷導致的腐蝕。據(jù)此提出優(yōu)化改造方案：①冷卻器材質(zhì)選用性能更優(yōu)異的鈦合金；②重新設計計算，增大冷卻器換熱面積，降低換熱介質(zhì)流速；③設計增加降低沖刷的防沖板結(jié)構(gòu)。通過以上優(yōu)化改造增強了高、低溫水冷卻器的設備穩(wěn)定性，恢復了其良好的技術(shù)狀況；同時，減少了相關(guān)維修費用，延長了設備的使用壽命，提高了燃氣主機的工作效率。

此項優(yōu)化改造對主機冷卻系統(tǒng)可靠性要求高、維修資源不足的海上采油平臺同類冷卻器升級改造具有很強的借鑒意義，但加工制作成本較高，建議在降低冷卻器制作成本上開展進一步研究?！?/p>