某炼厂U型管换热器换热管断裂分析及对策.pdf

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1、石油和化工设备-22-论文广场2017年第20卷某炼厂U型管换热器换热管断裂分析及对策丁大卫（中国石油锦西石化分公司，辽宁葫芦岛125001）[摘要]换热器是炼油装置的常见换热设备，约占整个炼厂静设备总数的30%。因其操作条件复杂多变，失效形式呈多样性。但换热管断裂故障较为少见。本文分析了断裂原因并提出了合理的对策。[关键词]换热管；断裂；分析；振动；对策随着石油化工装置向大型化、精细化发展，换热器的工艺操作条件愈发多样和苛刻。而换热器管束振动带来的问题，往往被设计人员和制造厂家忽视。管束振动问题应事先在设计和制造阶段统筹考虑，避免在

2、装置生产过程中出现问题再去整改。1换热器概况某公司新建5万标立方米/年制氢装置，该装置原料第二预热器E-111为装置生产的重要设备，为原料气进反应器提供热量。该换热器型号BFU700-4.29/4.29-59.9-3/19-2/2Ⅰ，管束材质为15CrMo，管板材质为15CrMoⅣ，壳程介质为过热蒸汽，管程介质为天然气。图1换热管断口图该装置建设完工首次投料生产前，需进行加氢反应器催化剂硫化，因流程设计需由原料第二预热器E-111提供硫化反应的热量（流程设计无加热炉，只靠换热器提供热量）。在硫化升温阶段，操作人员根据换热器操作参数及管

3、程导淋排水情况判定该换热器发生内漏。2换热管断裂情况原料第二预热器E-111经拆检后发现：管束在内侧管板边缘处断管3根，断口较为平齐。部分换热管在折流板处有明显振动磨损痕迹。管束拆检过程中，发现制造厂家该换热器多处制造不规范。该换热器的3根断管呈一定的规律性分布（见图2换热管断口分布示意图图2），分别为壳程入口防冲挡板外管束上平面最外侧2根，下侧管程出口管束下平面最外侧1根（其作者简介：丁大卫（1983—），男，江苏涟水人，2005年7月毕中如图2所示断管1和断管3为同一根换热管）。断业于中国石油大学（北京），工学学士，现为锦西石化加

4、氢裂化车间副主任（设备），中级工程师。裂位置均为管板靠壳程内侧边缘（见图1）。第7期丁大卫某炼厂U型管换热器换热管断裂分析及对策-23-拆卸3根断裂换热管的断口截面观察发现：样进行光谱分析：试样中金属含量C、Cr、Mo、(1)3根断裂换热管的断口截面均无明显的撕裂Mn、Si、Ni、S、P全部符合标准。塑性变形，断口较为平齐。3根断口均带有新鲜的(2)金属拉伸试验金属光泽，呈脆性断裂形貌。利用电子拉伸机采用GB/T228.1-2010标准对(2)该管束的换热管有多处在折流板处有振动已进行正火+回火热处理的15CrMo换热管进行分撞击痕迹

5、（已露金属光泽并有明显磨损），多处析，所有试样屈服强度、抗拉强度、断后收缩率折流板上穿管孔有偏大超标情况，手动晃管能感均未见异常。到换热管明显振动。(3)金相分析(3)管束内外表面均无明显腐蚀及金属缺陷。对换热管内外表面进行200倍金相分析，组织(4)用手持式光谱分析仪检测管板、换热管等均为铁素体+珠光体；金相组织致密规则未见异处，材质未见异常。现场着色检查管板焊口周边常。及断裂换热管的外壁未见异常。3.2换热管振动分析3换热管分析(1)换热管振动机理3.1换热管材料及金相分析管壳式换热器内弹性元件通常为换热管，振委托中国特种设备检测

6、研究所对换热管进行动是流体在换热管内外流动的必然结果。尽管换单项检测分析，对拆卸的3根断裂换热管截段作为热管在换热器中任何地方都可能产生破坏，但最试样标本进行检测结论如下：容易引起流体诱发振动的区域是流体流动的高速区，尤其是流体诱发换热管振动的频率与换热管(1)光谱分析的固有频率相耦合，产生共振时。利用ARC-MET8000光谱仪对打磨后的5段试图3换热器管束结构简图(2)计算校核代入蒸汽流量Q，蒸汽密度ρo，表1换热器实际操作主要参数最小横排管总间隙bmin，折流板间距li分别算出：参数名称管程壳程备注壳程进、出口处横流速度V1=6

7、.35m/s；折流介质天然气过热蒸汽板间的横流速度V2=7.47m/s操作压力3.53.8MPa操作温度280420℃(2)卡门漩涡频率3密度15.213.1kg/m流量49754kg/h查出S，代入相关数值，分别算出：t根据上表换热器操作参数及换热器其它设计壳程进、出口处的卡门漩涡频率fv=143.7Hz；参数，计算校核如下：折流板间的卡门漩涡频率fv=169.05Hz(1)横流速度(3)紊流抖振主频率石油和化工设备-24-论文广场2017年第20卷于0.5，管束在壳程入、出口处和折流板间均可能代入相关数值，分因卡门漩涡和紊流抖振使

8、管束产生振动。别算出：4改进处理及运行情况壳程进、出口处的紊流抖振频率ft=90.02Hz；综合上述分析，可以确定换热管断裂为疲劳折流板间的紊流抖振频率ft=105.9Hz断裂。疲劳的原因为振动引起的交变应力，产生(4)