分析引起硫冷凝器故障的原因

更新日期:2012-11-16

    冷凝器是空调系统的机件,能将管子中的热量,以很快的方式,传到管子附近的空气,大部分的汽车置于水箱前方。把气体或蒸气转变成液体的装置。发电厂要用许多冷凝器使涡轮机排出的蒸气得到冷凝;在冷冻厂中用冷凝器来冷凝氨和氟利昂之类的致冷蒸气。石油化学工业中用冷凝器使烃类及其他化学蒸气冷凝。在蒸馏过程中,把蒸气转变成液态的装置称为冷凝器。所有的冷凝器都是把气体或蒸气的热量带走而运转的。
    1、应用案例
    该炼油厂三废联合处理装置硫冷凝器有3台,位号依次为E1,E2,E3,结构均为单管程和单壳程。管程介质均为过程气,介质质量流量依次为11576kg/h,12421kg/h,14904kg/h;设计温度均为400℃,操作温度依次为220℃/160℃,320℃/160℃,370℃/160℃;设计压力均为0.35MPa,操作压力依次为0.037MPa,0.043MPa,0.049MPa;腐蚀裕量均为4mm.壳程介质均为凝结水,质量流量均为4000kg/h,设计温度均为165℃,操作温度均为152℃,设计压力均为0.6MPa,操作压力均为0.36MPa,腐蚀裕量均为3mm.该设备的功能是通过蒸发壳程饱和脱盐水来冷凝管程过程气。管程过程气为3股流。管箱内直径2000mm,壳体釜部内直径2800mm.筒体主要承压元件材质20R,换热管材质20,管板材质为20锻件。设备采用卧式布置,管板兼做法兰,管箱可拆卸。
    2、失效原因分析
    1)温差应力
    在管板布管边缘区域因结构不连续,变形协调所引起的内应力。其中,温差应力是结构设计的关键因素,也是影响设备安全可靠运行的决定因素。
    对该工位硫冷凝器,管程高温端的过程气温度与壳程介质温度相差较大,管板两端面的壁温差在管板内部可产生较大的温差应力。同时,由于管板厚度较大,管板两端面之间的温差应力也相应变大。
    这些附加的温差应力,壳体与换热管温差应力以及压力载荷引起的应力相叠加,超过了管板材料的承载能力,造成结构失效。其中,位号E3的硫冷凝器高温端管板两端面温差最大,因此硫冷凝器管头和孔桥失效主要集中于此。
    根据设备参数可知,壳程压力大于管程压力,管程温度大于壳程温度。因此,压力和温度载荷均造成管板向管程侧凸起,从而使管板管程端面的应力大于壳程侧。硫冷凝器管程为三合一结构,每股流体的进口温度差异较大(220℃,320℃,370℃),高温端管板端面的温度场不均衡,产生附加的温差应力,恶化了管板的承载能力。
    2)液位设备
    
    管程过程气放热,壳程饱和脱盐水蒸发吸热,壳程筒体(已保温)壁温近似于壳程介质温度,换热管壁温主要受壳程介质温度控制。当换热管全部浸于液面以下时,换热管壁温相差不大且接近于壳程介质温度,这样换热管与壳程筒体之间温差应力较小且均衡。但当出现液位降低,换热管不能全部浸于液面以下时,部分换热管壁温会迅速上升,换热管管头将承受异常,突变,不均衡的温差应力,极易造成换热管管头失效。
    另外,对于釜式蒸汽发生器,壳程液位应高于顶部换热管顶点200mm以上。否则,液面发泡会引起换热管振动,造成换热管管头失效。
    通过上述分析,温差应力是造成硫冷凝器换热管与管板连接接头和孔桥失效的最主要原因。其次,液位控制不当也是换热器换热管与管板连接接头失效的影响因素。
    由于设备操作条件已经确定,减小管板厚度成为减小管板温差应力的最有效措施。因此,根据笔者以往的设计经验,使用薄管板换热器代替原换热器结构。
    3、改进措施
    (1)管板管板改用挠性薄管板结构。薄管板不仅可降低管板两端面间温差应力,而且在布管边缘区域,也可吸收换热管与壳体间温度差产生的对管板的拉应力。薄管板由于受换热管的拉撑作用,承受压力载荷的能力完全满足该工位换热器承压要求。
    (2)布管改进布管方案,缩小原管板下部不布管区域,在整个管板端面尽量均匀布管,改善布管边缘区域的受力状况。
    (3)壳程进水分布管改进壳程进水分布管结构,尽量沿长度方向均匀分布凝结水,保证壳程温度场均衡。
    (4)壳程底部排污管壳程底部增设排污横管,以利于壳程流体排污,保障壳程水质。
    (5)其他在蒸汽出口管线增设除沫器,降低蒸汽夹带现象。对换热管管头进行局部热处理,定期对壳程凝结水进行水质检测等。
    (6)改造后结构改造后设备为单管程,单壳程的薄管板釜式重沸器结构,设备卧式布置,管板与管箱采用设备法兰连接,管箱可拆卸,硫冷凝器工艺接口及安装位置保持不变。 



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