磨煤机润滑油站管壳式换热器泄漏分析

董吉柱

深能合和电力(河源)有限公司 广东河源 517000

1 现场情况

广东河源电厂一期工程2×600 MW超临界燃煤机组分别于2008年、2009年投产,每台机组配置了六台HP1003型中速碗式磨煤机,在锅炉最大连续蒸发量的工况下五台运行,一台备用。每台磨煤机均配备一台润滑油站,每台润滑油站使用ISO VG320全合成润滑油约1 456 L,现价折合人民币约13万元。现已有两台磨煤机润滑油站使用的管壳式换热器发生穿孔泄漏,致使润滑油站润滑油进水污染,被水污染的润滑油虽然使用真空滤油机过滤后,油内水份含量可达到标准值,但该润滑油在使用过程中频繁发生冒泡现象,不仅污染现场环境,而且极易造成火灾隐患,并且汽泡进入KMP型减速机内会对减速机内部部件造成不可逆的损伤。上述现象的发生不仅大大增加了设备检修成本,而且严重影响了磨煤机运行的稳定性,因此采取有效措施提升磨煤机润滑油站管壳式换热器使用的可靠性和耐久性,不仅具有应用的可行性,而且更具有较高的应用价值。

2 换热器基本情况

广东河源电厂一期工程磨煤机润滑油站采用的换热器为铜质螺纹管式换热器,此类换热器为双管板换热器,主要由壳体、管束、折流板、管板、封头等零部件构成,壳体为圆筒形,内部装有铜质螺纹管束,管束长度方向等距离分布折流板,管束两端与管板之间为胀接翻边固定,前后管板分别由壳体通过密封O形圈和密封胶密封。在管壳式换热器内进行换热的两种流体分别为工业冷却水和润滑油,工业冷却水在管内流动,行程称为管程,润滑油在管外流动,行程称为壳程。铜质螺纹管式换热器实物如图1所示。

图1 铜质螺纹管式换热器实物

这一换热器型号为威纳100.602-42,被冷却介质为ISO VG320全合成润滑油,系统压降为6.0×104Pa,冷却水介质为经过处理的广东东江水。冷却功率为54 kW,润滑油额定流量为175 L/min,冷却水需求量为250 L/min,冷却水进口温度为38 ℃,推荐温度为35 ℃,冷却水出口温度为41 ℃。铜质螺纹换热管共有60根,分两组布置,单侧各30根,串联布置。实测铜质螺纹换热管外径为12.5 mm,螺纹深度为1.1 mm,有效壁厚为1 mm,管束总长度为1 760 mm,中间布置有八道折流板,将被冷却介质分成九个回路。

3 设备缺陷

2019年1月21日巡检发现1号机组第四台磨煤机润滑油站油位较之前明显升高,在保证换热器换热效果的前提下,调小工业冷却水进水流量,随后立即取样化验油质,油样化验结果显示油内含水量超标,初步判定换热器内有个别铜质螺纹换热管发生泄漏。

解体检修该换热器,发现在铜质螺纹换热管束中第四道折流板附近的一根铜质螺纹换热管的螺纹根部存在细小裂纹状泄漏点,铜质螺纹换热管泄漏点原始照片如图2所示。在提取该铜质螺纹换热管的过程中,由于在泄漏点处因铜质螺纹换热管强度不足而断裂。铜质螺纹换热管裂纹端面照片如图3所示。

图2 铜质螺纹换热管泄漏点

图3 铜质螺纹换热管裂纹端面

对该铜质螺纹换热管的其它完好部位进行横向切断,完好铜质螺纹换热管横向切开断面照片如图4所示。由图4可见,断面金属光亮、有光泽,母材完好,无明显腐蚀凹坑、减薄现象,说明整体情况良好。但因为是铜质螺纹换热管,照片断面显示的是螺纹的剖面,所以能准确反映出有效壁厚。

再对该铜质螺纹换热管的其它完好部位进行纵向切开,完好铜质螺纹换热管纵向切开断面照片如图5所示。由图5可见,内壁上存在棕褐色较为坚固薄层,经轻微打磨后可以消除,无其它明显污垢、锈蚀、冲刷等痕迹。螺纹断面、有效壁厚光亮、呈金属光泽,说明总体情况良好。

图5 完好铜质螺纹换热管纵向切开断面

4 泄漏原因分析

铜质螺纹换热管由铜质光滑管车削制成,螺纹作为主要受压部位首先要保证承压能力,螺纹的目的是造成二维流动,形成湍流,增强换热管的传热效果。但由于螺纹管在制作过程中,受管材直线度、车削控制精度等因素影响,螺纹深度可能存在一定程度的偏差,过深过密的螺纹不仅会造成大的压降,而且容易造成换热管在使用过程中失去稳定性。

铜质螺纹换热管与管板在胀形作用下形成密封,螺纹管自身会存在不同程度的残余应力,局部位置的应力相对集中,导致螺纹换热管的承载能力相对较低。因螺纹换热管束两侧管板为多孔圆平板,承受载荷具有均匀性的特征,设备在运转过程中,管程和壳程的压力主要由螺纹换热管束或螺纹换热管承受。螺纹换热管的螺纹根部刚性较小,当螺纹换热管束或螺纹换热管承受外界压力过大时,螺纹根部首先会出现失稳现象。

铜质螺纹管换热器为达到增大换热面积、良好的换热性能、高导热系数目的,因此铜质螺纹换热管设计的管体较薄,材质较软,有效壁厚仅为0.8～1 mm,致使铜质螺纹换热管横向支撑强度不高,抗冲击能力薄弱,抗振能力差,在高流速介质的不断冲刷下,铜质螺纹换热管的螺纹根部长期存在弯折性颤动,应力相对集中部位耐压抗振能力差,进而发生疲劳裂纹、穿孔泄漏,乃至断裂。

折流板对铜质螺纹换热管束具有一定的支撑作用,但由于折流板设计厚度不足、间距过大、开孔处工艺不良等问题,都将影响折流板的设计支撑效果。在铜质螺纹换热管束中间,铜质螺纹换热管与折流板的装配间隙容易出现误差,为便于铜质螺纹换热管与折流板的装配,折流板孔径设计略大于铜质螺纹换热管螺纹外径。但孔径加工时的偏差会造成折流板孔与铜质螺纹换热管装配后间隙偏大,间隙越大,折流板左右两侧的铜质螺纹换热管横向刚性也就越差,靠近折流板左右两侧附近的铜质螺纹换热管螺纹根部弯折的次数就越多,幅度也会更大,这是导致铜质螺纹换热管失稳的主要原因之一。

折流板的主要作用是让壳程内的介质沿着铜质螺纹换热管束间隙呈螺旋状均匀分布,螺旋状运动的流体在铜质螺纹换热管两侧交替发生漩涡,形成周期性漩涡层流,致使铜质螺纹换热管上的压力部分也呈现周期性变化,进而对铜质螺纹管换热管产生了冲击和扰动,导致铜质螺纹换热管产生纵向振动。挠性大的管跨和流速高的区域是首先被破坏的区域,挠性大的区域主要是折流板区域,流速高的区域主要是铜质螺纹换热管的进出口区域,与铜质螺纹换热管几何尺寸有关的流体运动,均能引起铜质螺纹换热管的振动,原来纵向刚性较差的铜质螺纹换热管,再叠加上螺纹根部的应力集中,就会在某根铜质螺纹换热管在折流板附近长期弯折处出现裂纹,裂纹继续延展,进而裂透至换热管内壁,导致铜质螺纹换热管泄漏在所难免。

5 设备处置对策

因这一铜质螺纹管式换热器换热管束中缺少了一根断裂的换热管,使换热管内部设计流场发生了改变,铜质螺纹换热管束整体稳定性存在极大的安全隐患,为了保证设备运行的可靠性,将该换热器报废处理,更换备用合格的铜质螺纹管式换热器。

这一机组换热器为同一批产品,结构一致、运行时间相近,裂纹或已产生,只是有些未裂至铜质螺纹换热管的内壁,但是风险依然存在,随时都有可能发生裂纹穿透、泄漏,污染润滑油后损失更大。应定期择机逐台进行压力检测试验,检验铜质螺纹换热管的气密性和耐压性。发现漏点后,暂时堵管处理,之后每年进行一次压力检测试验。如果堵管总量小于10%～15%,可以回装继续使用。如果有更多比例的铜质螺纹换热管泄漏、堵管,为保证换热器的换热效果,则应更换新的换热器。

6 换热器性能比较

6.1 导热性能

由于不锈钢光管与铜质螺纹管具有不同的导热系数,相同管径、长度、壁厚铜质螺纹管的导热系数一般是不锈钢光管的2～3倍,但是不锈钢光管的壁厚相对铜质螺纹管可以减薄到0.5～0.8 mm,而铜质螺纹管受材质特性限制,综合考虑铜质螺纹管的强度和抗冲刷磨损等原因,壁厚一般情况下不低于1.2 mm,壁厚为0.7 mm的不锈钢光管比壁厚为1.2 mm的铜质螺纹管的总体换热系数高2.124%左右。铜质螺纹管内表面容易产生氧化物,其内部比不锈钢光管内部更粗糙,容易结垢,显著增加了铜质螺纹管的热阻,降低了传热效率。综上所述,在设计的换热量工况下或壁厚差距较大的情况下,不锈钢光管换热器与铜质螺纹管式换热器总体传热系数不仅差距不大,而且还有可能占有一定的优势。

6.2 抗腐蚀性能

众所周知,不锈钢光管换热管表面光滑,防垢性能、抗腐蚀性能和抗冲击腐蚀性能明显优于铜质螺纹管式换热器,使用不锈钢光管换热器时可使用高酸碱值的冷却水,降低腐蚀产生概率,从而进一步提升冷却水流速,这样不仅可以减少管内杂质的沉积,而且还可以提升总体传热系数。但不锈钢光管换热管内工业水要监测浊度和氯离子含量,避免氯离子含量超标在沉积物或在管壁缝隙处不断聚集,超过不锈钢光管换热管的耐腐蚀极限,从而在运行中发生点蚀,进而影响不锈钢光管换热管使用的稳定性和安全性。

6.3 安全性能

不锈钢光管的屈服强度、拉伸强度、弹性模量明显高于铜质螺纹管,不锈钢光管的热胀系数明显低于铜质螺纹管,有更强的塑性,不易因介质温差而损伤换热管与管板胀口密封性能,而且不锈钢光管换热管与管板接口密封还可以采取先焊后胀的方式进行密封,通过胀管有效缓解应力集中的影响,提高焊接处抗疲劳能力,保证焊缝致密性和抗拉脱能力,有效提升不锈钢光管换热管口密封的安全性。不锈钢光管换热管采用管材厚度均匀的标准管材直接加工而成,管壁厚度容易控制,不会出现壁厚不均匀或壁厚偏差过大问题,更有利于提高换热管的强度,不易在使用过程中出现失稳现象,从而保证换热器的整体使用安全性。

6.4 使用寿命

由于不锈钢光管换热管用标准管材加工制作而成,管材厚度均匀,更易于控制生产加工质量,可以有效地降低因加工过程中的误差而造成换热管发生故障的概率,而铜质螺纹换热管由铜质光管车削而成,螺纹深度可能存在误差,进而造成铜质螺纹换热管的有效壁厚存在较大误差,外加螺纹根部局部位置应力集中,在使用过程中极易发生故障,因此不锈钢光管换热管可以有效延长换热器的整体使用寿命,一般能够达到铜质螺纹管式换热器的2～3倍使用寿命。

6.5 制造维护成本

不锈钢光管换热管在生产制造过程中工艺简单,管坯制作工艺灵活,相对于传统铜质螺纹换热管在生产上成本更加低廉,精度要求较低,尤其是在大批量生产的情况下,不锈钢光管换热管生产速度快,管坯来源广泛,生产成本较铜质螺纹换热管节约20%左右。不锈钢光管换热管较铜质螺纹换热管内外光滑度有极大的提升,不仅在防止结垢性能上效果更加显著,间接提升换热效果,而且大幅度减少换热管的清洗次数,降低日常维护人员工作强度,减少日常维护成本,因此不锈钢光管换热管在制造维护成本方面显著优于铜质螺纹换热管。

7 结束语

管壳式换热器在火电厂润滑油系统中发挥着极其重要的作用,笔者通过实际案例对传统铜质螺纹换热管结构原理进行分析,准确找出泄露原因。在管壳式换热器的导热性能、抗腐蚀性能、安全性能、使用寿命、制造维护成本等方面对不锈钢光管换热器与铜质螺纹管式换热器进行分析比较,不锈钢光管换热器体现出了一系列的应用优势,有效提升了管壳式换热器使用的耐久性和安全性,使不锈钢光管换热器的应用价值得以更好的发挥,适应时代发展的需要。从长远考虑,避免或降低同类型设备泄漏的概率,减少生产损失,节约维修费用,可以提高机组运行的经济性和安全性。