横管式煤气初冷器快速更换换热管束的实践

2023-12-07孙峰

化工管理 2023年30期

孙峰

(河钢集团张宣科技能源公司，河北宣化 075100)

0 概述

横管式煤气初冷器是焦炉煤气净化过程中的对煤气进行降温的重要设备，焦炉输送来的650 ℃高温煤气经过循环氨水在集气管喷洒降温至80 ℃，此温度下焦炉煤气内含有大量水分及焦油、萘等杂质，且煤气体积较大，不利于输送。初冷器的作用就是将80 ℃的焦炉煤气冷却至20 ℃的同时将煤气中的大部分焦油、萘等杂质进行分离，同时减少煤气体积，其工况的好坏对后序工艺及设备(电捕焦油器、洗涤塔、吸气机)都有直接影响。在初冷器运行过程中，焦炉煤气从顶部进入，底部流出，在换热管的管间流动，低温循环水从初冷器底部进入，顶部流出，在换热器管内流动，低温循环水与焦炉煤气为间接传热。焦炉煤气中由于含有硫、氨等腐蚀性介质，换热管长时间与焦炉煤气接触，导致换热管腐蚀泄漏，泄漏后管内流动的低温循环水随着初冷器内部冷却下来的焦油氨水进入后续工段，造成后续工段处理负荷量加大[1]。少量泄漏一般采用换热管封堵的方法，对整台初冷器的的运行影响不大，但当换热管的泄漏数量达到一定数量时，由于换热面积减少，导致初冷器后煤气温度高，影响整个化产系统的稳定进行，此时就应停产对所有换热管进行更换。张宣科技能源公司净化系统共有三台初冷器运行，运行方式为两用一备，随着多年运行，换热管不间断的出现泄漏，换热效率逐步下降。为保证煤气冷却效果，初冷器由两用一备改为三台同时运行，经过对内部换热管束进行检测，发现换热管不但整体腐蚀严重，且外壁粘接了一层薄的焦油层，严重影响换热效果，鉴于此种情况决定对初冷器内部换热管进行全部更换。

1 初冷器换热管更换存在的问题

1.1 初冷器主要结构

横管式煤气初冷器长3 570 mm、宽2 750 mm、高26 600 mm，换热面积3 700 m2、净重152 t、换热器内部管程工作压力为0.65 MPa、介质为循环水、换热管为51×3 mm无缝钢管、材质为20#钢、每根长3 615 mm、总计6 471 根；同根换热管的管板孔不在一直线上，相错189 mm、管斜为2.4°，换热管与管板为胀接。设备壳程为钢板拼焊而成，管板厚18 mm、材质为Q235B；壳程工作压力±0.0 3 MPa、介质为焦炉煤气及焦油氨水冷凝液；管箱共75件，为半圆筒形钢板拼焊结构；管箱法兰与管板用螺栓连接，采用8 mm厚的橡胶垫对管板与管箱进行密封，初冷器顶部、底部各有一个人孔[2]。

1.2 旧换热管拆除问题

常规的换热管更换方式为施工人员从初冷器外部拆除换热管，由于换热管较长且连接方式为胀接，需从管板一端使用千斤顶将换热管束从另一端顶出，然后人工取出换热管[3]。由于初冷器高度较高且外壁没有任何支撑点及受力点，施工过程中需将初冷器四周全部搭设脚手架，拆除换热管周期近一个月时间。

1.3 新换热管安装的问题

安装换热管时，采用方式为从管板的一端穿装换热管，由于同根换热管的管板孔不在一直线上，造成换热管很难准确地与管板另一端的管孔连接，需要施工人员不断进行尝试。由于换热管为20#无缝钢管，安装换热管前需要采用焦炉煤气对换热管的两端进行烘烤退火(退火长度比对应管板的厚度长80～100 mm，当管端颜色达到橘红色后进行空冷却，最后对换热管的两端进行抛光处理)，换热管更换的效率不高，安装换热管周期近三个月时间[4]。

1.4 检修周期的问题

能源公司共有三台初冷器，一台初冷器从停用开始需要经历清洗、插盲板、搭设脚手架、拆除管束、安装新管束、拆除脚手架、抽盲板、投用等过程，整个周期至少四个月时间。初冷器作为焦炉煤气净化系统的头道工序，主要作用就是降低焦炉煤气温度，为后续系统正常运行创造条件，检修过程中如果另外两台初冷器出现异常，将会导致焦炉及化产系统整体出现停工情况的发生。

2 初冷器换热管更换技术创新

针对上述检修过程中存在的问题，技术人员经过多轮分析论证，制定了在初冷器内部进行换热管更换的方案，首先对初冷器内部进行彻底清理，将初冷器连接的各种管路全部插盲板，在具备施工人员进入检修的前提下，施工人员从内部拆除换热管，从顶层自上而下开始作业，对内部管束采用手动切割机作业，由于施工人员站在管束上部作业，施工安全快速且大大降低换热管拆除的劳动强度。安装换热管时，施工人员进入初冷器内部，从底层自下而上作业，在初冷器内部与初冷器外部施工人员配合，快速准确地使换热管与两端管孔连接，大大提高了施工效率，一层管板管束全部连接完毕后，采用集中胀接的方式，避免管板变形情况的发生[5]。为了缩短施工周期，将初冷器换热管由10#无缝钢管替换为20#无缝钢管，10#、20#都属于低碳钢，相互比较来说，10#钢的强度和硬度比20#要低，但10#钢的塑性和韧性比20#要好，采用10#无缝钢管，由于塑性和韧性增加，可以不用进行退火作业，直接进行胀接作业，同时10#钢的强度和硬度也能满足初冷器日常使用需求，提高施工质量的同时还能有效缩短施工周期。

3 初冷器换热管更换技术过程创新

3.1 前期准备

对初冷器煤气、循环水出入口管插盲板，避免初冷器检修过程中出现煤气、循环水泄漏；对初冷器用焦油氨水混合液、氨水、蒸汽反复进行清洗，确保初冷器内换热管外壁沉积的焦油清理干净。为保证初冷器清洗的效果，最后采用高温软水和高温蒸汽进行清洗，直至清洗完毕后的软水颜色为日常颜色时停止。清洗完毕后对焦油氨水混合液、氨水、蒸汽、初冷器排液管道插盲板，确保与初冷器生产有关的工艺介质全部隔断[6]。打开初冷器底部及顶部人孔用轴流风机进行强制机械通风，直至经过检测具备检修条件后开始进行检修作业，检修作业前底部通风机一直往初冷器内部通入新鲜空气，保证通风压力，避免过大及过小，同时在初冷器顶部通入消防水，避免内部作业时出现意外情况。

3.2 拆管箱盖

自上而下逐层打开管箱盖，在初冷器顶部安装卷扬机，用卷扬机将拆除下来的管箱盖放置在地面上，对每层管箱盖进行编号，确保安装时管箱盖安装在同一位置；对放置在地面管箱盖进行壁厚检测及防腐处理；对管箱盖薄弱位置进行局部挖补处理；对管箱盖取下的螺栓螺母用油浸泡清洗后，放置于工具箱内进行再次利用。

3.3 拆除换热管

换热管拆卸时，人员从初冷器顶部人孔进入，自上而下对内部管束用切割机进行切断，每根换热管割为三段，切割部位离管板长度为200～300 mm，以便在管板上胀接的换热管轻轻敲出，抽出管头时，不得碰撞或划伤管孔内壁[7]。并在初冷器侧板每隔3 m开DN80圆孔，以方便内部换热管的拆卸及安装。采用切割机作业：一是切割机产生的火花温度较低，管束外壁即使没有清理干净的焦油干渣，也不会引燃，确保施工安全；二是避免气割留量部位离管板距离较近，温度过高，将管板退火。

初冷器周边平台空间狭小，为将拆除下来的换热管及时从初冷器平台运走，采用DN80的长管道，通过电焊的方式固定在初冷器的框架上，分上下两个部位分别固定，为了增加稳固性，在中间部位也增加固定点。DN80管道上方的入口位置位于作业面部位，DN80管道下方的出口部位距离地面3 m，拆除下来的换热管束直接放入DN80管道，顺着DN80管道直接降落到地面。为了保护地面，在DN80管道下方的出口部位正下方加沙子垫层，在沙子垫层上面铺设10 mm厚的钢板，采用此方法大大降低了施工人员劳动强度。

3.4 管道胀接

换热管安装前，先对管板的孔壁及换热管进行检查，管板孔壁如果存在缺陷，则先要用焊接的方法将管板孔填平，再用内圆磨光机修磨[8]。换热管确保长度合格、无裂纹、管端损坏等缺陷。安装换热管前，提前用内圆磨头对孔壁抛光，换热管自初冷器下部至上部对接进行安装，管束自管板孔外壁进入，初冷器内部人员将换热器管安装在管板另一侧，方便快捷。一层安装完毕后，外部人员进行胀管作业，将胀管时将胀管器的圆柱部分塞入管孔内，利用外部作用力旋转心轴，通过滚子沿心轴轴向旋转，使心轴挤入管内面并强迫管子扩大，达到一定的胀紧度，使管子紧紧胀接于管板孔上，胀管操作采用先中后侧、阶梯花胀的方式，确保管板强度。

3.5 气密性打压

初冷器换热管全部更换完毕后，进行气密性检测，目的是检测各胀接部位是否发生泄漏。将初冷器的所有与外部连接的部位封闭，在底部初冷器扫汽管路内通入氮气并加装压力表，确保氮气压力为初冷器正常工作压力的1.2倍，压力稳定后首先保压2 h，观察初冷器有无变形缺陷情况的发生，没有变形说明强度足够。随后对管板胀接部位刷肥皂水，观察是否有气泡冒出，冒气泡说明该处胀接不合格，立即补胀，然后再刷肥皂水检查，直到所有的胀接部位合格[9]。

3.6 安装管箱盖

对管箱盖安装时，根据管箱尺寸规格制作耐腐蚀天然橡胶垫片，制作出的橡胶垫片不得有裂纹、凹坑，对合缓慢，压平垫片。为避免管箱盖安装时橡胶垫片出现剐蹭错位情况的发生，在管箱与橡胶垫片之间刷一层胶，对角交叉紧固螺栓螺母。

3.7 拆除盲板

拆除阀门盲板时，先要检查阀门前面的煤气和冷凝液含量，配备必要的消防安全设施，施工人员佩戴空气呼吸器进行作业，防止中毒和引燃。盲板取出后，重新更换金属新垫片，为避免金属垫片腐蚀，在金属垫片外边均匀缠绕四氟带，同时紧固螺栓螺母，最后检测无煤气和冷凝液泄漏。

3.8 注意的事项

初冷器在抽插盲板过程中，由于煤气截门中存在焦油渣等杂质导致截门不严的问题，在进行抽插盲板作业时存在煤气泄漏事故，施工作业过程中连续检测煤气浓度，使用铜质工具作业，确保安全作业。在旧换热管拆除和新换热管安装的过程中，初冷器内部与外部施工人员必须密切配合，在初冷器平台进行旧管输送作业时，确保作业下方无人员，现场安排好人员进行警戒，防止施工人员被滑落的换热管砸伤事故[10]。

初冷器在管束更换的过程中，发现初冷器上层管束内部存在钙镁结垢的情况，不但使管束换热效率低，还导致换热器内部管束通道变小，增大初冷器整体内部循环水的流动的阻力。经过分析造成管束内部结垢的主要原因是循环水压力低，循环水经过泵输送至初冷器顶端时动能降低造成流速减慢，且初冷器顶部煤气温度最高，造成循环水内部钙镁离子受到高温析出。另一方面的原因是循环水的冷却采用敞开式系统，水在循环过程中与空气接触而不断蒸发损失，水中的矿物质和离子含量因浓缩而浓度升高。为杜绝上述情况发生，新增开一台循环水泵，增加循环水系统压力，将循环水出口压力由0.35 MPa增加至0.45 MPa，在循环水管路上增加在线电导率监测仪表，对水中矿物质和离子浓度进行监测，适当的补水和排水来保持水系统水质稳定及水量平衡。