循环水冷却器泄漏原因分析及解决对策

李 良

（中国石油辽阳石化分公司，辽宁辽阳 111003）

0 引言

在石油化工行业，水冷器泄漏问题普遍存在，原因多种多样，包括设计、制造、安装、运行操作、维护保养等多个方面，给泄漏故障的原因分析及整改措施的制定带来了困难。

某厂循环水冷却器于2018 年9 月投用，2019 年12 月即发生内漏。泄漏后车间对换热器进行了解体检查及打压堵漏，对泄漏管头部位进行了补焊处理。

1 设备及泄漏情况简介

换热器名称为热媒水冷却器，为Ф1224 mm×8340 mm 固定管板式两管程换热器（位号：E102B），总计管数为1018 根，管束材料为S30408，管板为厚度55+4 mm 的16Mn（Ⅲ）+S30408复合钢板，管程和壳程的工作参数见表1。

表1 换热器管程和壳程的工作参数

2019 年12 月初，操作人员巡检过程中发现热媒水冷却器E102A/B 运行过程中有异响，关闭壳程热媒水出入口阀门，打开低排，发现壳程一直有水排出。对热媒水冷却器壳程内的热媒水进行采样分析，发现其电导率、总磷等指标远高于热媒水源头来水处的分析结果，并且与循环水采样分析结果接近。初步确定，该水冷器管束发生内漏，导致循环水泄漏至热媒水中。随后，车间对换热器进行解体检查、打压堵漏，E102B 打压堵管1 根、管头补焊8 处，检修后对管板进行了渗透检测。

2 工艺流程简介

该换热器属于余热回收站系统设备，装置自用热单元来的热媒水进入余热回收站，经自清洗过滤器去除杂物、除油除铁装置旁滤去除水中油污和铁质后，进入热媒水冷却器（E102A/B），采用循环冷却水冷却，采用氮气经热媒水定压缓冲罐为循环系统定压、补水，热媒水压力经热媒水循环泵升压后，送至各取热单元取热，取热后的热媒水回至余热回收站内，进入热媒水加热器，采用蒸汽补热后再送至各用热单元放热降温，降温后的热媒水再回至余热回收站循环使用。

3 设备解体检查及处理

3.1 结垢情况检查

换热器管箱打开后进行外观检查发现：管箱内部及隔板处有较多生物黏垢，颜色呈红褐色；循环水出水管板处结垢较为明显，且存在生物黏泥；循环水进水管束内部结垢不明显，循环水出水管束内部结垢较多（图1、图2）。

图2 管板处结垢情况

3.2 换热器高压水清洗情况

为防止换热器发生垢下腐蚀，对管箱及管束进行高压水清洗。清洗用水采用循环水，且确保水中氯离子含量≤25 mg/L。清洗3 h 后，目视已无明显结垢、清洗效果较好，然后用氮气对管束进行彻底吹扫。

3.3 泄漏部位检查情况

对换热器管束进行打压查漏，发现泄漏集中位于管板左上方及右上方（图3）。该处换热管与管板间焊缝处焊肉剥离脱落，从失效的一处有焊缝剥离的接头处可以看出，换热管端部明显低于管板端面，焊缝根部存在未熔合现象，而且是单道焊（图4）。而通过核对设备制造图纸，图纸上要求换热管需伸出管板端面1.5～2.0 mm，现场实际与图纸要求明显不符。

图3 管束泄漏部位

图4 管头处外观

3.4 管板光谱分析

为核对管板材料，对换热器两端管板进行光谱分析。检测结果显示，Ni、Cr、Fe、Zn 和Mn 的含量分别为8.11%、18.01%、72.30%、0.14%和1.07%，确认管板表面材料为S30408，与设计及图纸制造要求相符（图5）。

图5 光谱分析材料检测

4 泄漏原因分析

（1）由于管束材料为S30408 不锈钢，易因氯离子浓度超标发生应力腐蚀开裂。根据泄漏后车间对换热器入口循环水采样分析结果，氯离子浓度为0.20 mg/L，远远低于GB/T 50050—2017《工业循环冷却水处理设计规范》中规定的“对于不锈钢换热设备，若水走管程，应保证氯离子含量不大于1000 mg/L”的要求。由此判断，本次腐蚀不是由于氯离子浓度超标导致的不锈钢应力腐蚀开裂。

（2）尽管换热器拆解后发现有明显结垢，但垢样质地较软，且垢样去除后管板表面未发现有明显蚀坑。高压水清洗后，车间对管束内进行了内窥镜检查，发现管束内壁比较平滑、无明显蚀坑。由此判断，换热器发生垢下腐蚀的概率也较小。

（3）泄漏部位位于管板边缘，是换热管与管板焊接质量最薄弱的部位。该部位焊接应力大，相比其他部位因存在结构突变，特别是管束部件焊接过程中两侧熔化、凝固速度有差异，焊接质量更不容易保证，同时极易产生残余变形及残余应力。另外，在焊接过程中固定管板结构会造成较大的焊接应力和变形，如果焊接顺序不当，则管板较薄、刚性差，换热管与管板间焊接更会造成管板变形，裂纹集中部位正是焊接应力和变形最大的部位。

（4）制造厂家未严格按照图纸进行制造。根据图纸的要求，换热管端部要高于管板端面1.5～2.0 mm，且为45°角的焊缝连接形式。而实际换热管与管板间是单道焊，且为平头的焊接结构，部分换热管端面甚至低于管板端面，焊缝根部存在未熔合现象。

（5）泄漏部位为壳程高温热媒水的入口和管程低温循环水的出口交汇处，存在较大的温差，设备运行过程中泄漏部位处热应力最大，而固定管板结构抵抗热变形能力差，容易因冲击振动及温度变化产生裂纹。

5 解决对策及建议

（1）从设备泄漏原因分析来看，该换热器存在较大的再次泄漏隐患，不能满足长周期运行的需求，建议更换备台。

（2）建议将管板由复合管板结构改为整体S30408 材料结构，避免制造过程中焊接应力大可能造成的复合钢板局部复层开裂问题。

（3）制造过程中注意施焊环境清洁，保证焊件金属温度不低于0 ℃，以避免产生焊接冷裂纹。所有焊接接头采用多层焊，注意保证根部熔合质量。

（4）严格按照图纸进行制造，建议换热管端面要高于管板端面2.0 mm。

（5）加强工艺平稳操作，避免因工艺波动导致换热器管束振动及温差应力加大的情况发生。

（6）加强循环水质管理，调整循环水加药量，以减少生物黏泥的生成；确保管程循环水流速不小于0.9 m/s，防止流速过低发生垢下腐蚀现象。