探讨管壳式换热器泄漏原因及解决方案

发表时间:2021/2/19   来源:《基层建设》2020年第27期   作者:丁华伟
[导读] 摘要:介质泄漏对于换热器影响时重大的。
        新疆协鑫新能源材料科技有限公司  新疆昌吉  831100
        摘要:介质泄漏对于换热器影响时重大的。特别是制冷系统的冷凝器及油冷却器因腐蚀导致其换热管频繁泄漏,已严重制约设备安全运行。冷冻机油和制冷剂的大量泄漏,不但造成经济损失也给循环水系统带来污染,而制冷剂氟利昂的泄漏最终进入大气层,也会造成臭氧层的破坏,危害人类生存环境。根据现实中的操作情况和存在的问题,总结换热器泄漏的分析方法,通过分析介质泄漏和水质指标的关系,采取可行的措施和有效的预防方法,延长设备的使用寿命,是当前迫切需要解决的课题。
        关键词:泄漏;腐蚀;水质分析;换热器
        1换热器泄漏发现
        1.1初次发现油冷器泄漏
        2018年12月7日操作员工在巡检过程中发现某公司制冷系统制冷机组的油分离器油位持续下降,于是紧急停机,并对机组油路系统逐一检查,最后发现油冷却器(管程介质为循环水,壳程介质为冷冻机油)管程循环水侧有油泄漏,于是关闭油冷却器进出水阀门,进一步对油冷却器拆卸两侧封头检查,发现有3根换热管泄漏。
        1.2全面排查装置水冷式换热器
        针对装置内制冷机组冷凝器压力偏低,油位偏低的冷凝器及油冷却器逐一经检查,拆卸冷凝器及油冷却器两侧封头,通过目测、肥皂水及卤素检漏仪进一步检查,发现装置内制冷机组的冷凝器(管程介质为循环水,壳程介质为氟里昂)及油冷却器(管程介质为循环水,壳程介质为冷冻机油)有数量从几根到百余根不等的换热管泄漏。
        2原因分析
        2.1宏观检查
        油冷却器和冷凝器换热管频繁出现泄漏,我们在对其紧急维修的同时,对换热管也进行了仔细检查,发现目前出现泄漏的换热管循环水侧腐蚀严重,已经无法继续使用。分析原因可能时因为循环水被换热器管包围,由于换热器管的表面不均匀,在换热器表面容易形成微电池造成腐蚀。金属铁等在垢下的电化学腐蚀具有催化作用,会加速金属的腐蚀。随着使用时间的增加,腐蚀会进一步增加,冷却水的壁厚会逐渐变薄,最终发生破裂或穿孔。从管壳式换热器中拔出换热器,发现在换热管外壁有穿孔,见下图二
        图一:换热器列管整体示意图            图二:换热器外管目测漏点图
     
        剖开换热管检查内壁,经内外部比对可见:出现泄漏的部位对应内壁有一体积脱出的腐蚀锈瘤,管子内壁的其它部位有细小的类似腐蚀锈瘤散乱分布,见左下图。为了更好地了解腐蚀坑情况,对失效管段部位进行除锈、除垢、清洗处理后,可见金属光泽的管子内壁形貌:腐蚀坑的原貌完全呈现,在管子内壁布满凹凸不平,一个大的腐蚀坑以及蚀坑周边散布的细小的腐蚀坑。蚀坑的开口较大,从蚀坑底部的腐蚀形貌来看属于电化学活化腐蚀。见右下图。
        图三:换热器剖开内壁图                图四:换热管处理后内壁图

        2.2管壁测厚
        取泄漏管从周向、纵向局部剖面观察,测量壁厚,换热管理论壁厚为1.24m,实测厚度为1.09m,使用一年减薄率为12%。
        2.3微观分析
        在显微镜下观察,失效部位有明显的大小不一的腐蚀坑,由管子的内壁腐蚀向外壁发展,其内壁开口很大,是碳钢发生坑蚀的典型形貌;进一步放大后可见,蚀坑的底部属于电化学活化腐蚀,与管材的组织结构没有对应关系。见下图金相分析。
        图五:换热管金相分析图
 
        2.4水质分析
        现场取循环水水样分析检测,发现水质指标远超出水样标准,详见下列水质分析报告。
        表一:现场循环水水质报告
 
        2.5结论
        通过对失效换热管的宏观及微观分析,可以得到如下结论:
        1、失效换热管壁厚减薄率达到12%,可以判断,换热管在运行中受到了严重的腐蚀。
        2、换热管外壁没有可见腐蚀现象,从微观分析看出,漏点附近平滑,呈坡状,为典型的腐蚀坑,其他部位也出现不规则的腐蚀坑。
        3、根据现场取的水样分析结果,其中氯离子,硫酸根离子,硬度等有严重腐蚀倾向的指标都严重超标,与换热管内出现的腐蚀现象吻合,进一步证明换热管受到了严重的腐蚀。
        4、油冷却器泄漏芯管为碳钢材质,碳钢在中性水中是要发生腐蚀的,因此有关碳钢设备的冷却水必须经过处理;一般工业用循环冷却水具有含氧,及添加缓蚀剂等(缓蚀剂的组分包括:缓蚀剂、杀藻剂、除垢剂等等)。碳钢管束在上述完好的冷却水中运行时,一般不会出现意外腐蚀,但所添加的缓蚀剂必须及时检测,并及时补充药剂。本案中碳钢管束的内壁出现大量细小的锈瘤,表明冷却水的缓蚀效果下降,导致钢管发生腐蚀,腐蚀产物如不能及时去除,并沉积下来,就会形成氧浓差腐蚀电池,在腐蚀产物的正下方发生腐蚀并最终穿孔。
        图六:换热管腐蚀示意图
 
        3采取应对措施
        3.1对于泄漏换热管数量在10%以下的油冷却器:所漏换热管两头封堵,并联系施工单位及材料,视使用情况更换所有换热管以彻底解决泄漏隐患。补充适量的专用冷冻机油及制冷机氟利昂。
        3.2对于泄漏换热管数量在10%以上冷凝器:因所漏换热管较多,且封堵泄漏管后又有大量管束泄漏,遂对所有换热管更换。
        3.3根据相关规定,凡制造、拆卸、检修、清扫过的换热器,在回装后都必须进行压力试验,应对换热器管板的连接接头,管程和壳程进行耐压试验或增加气密性试验,因本设备运行条件不允许残留液体,故采用气压试验。
        3.4气压、气密试验合格后,需按制冷系统安装调试标准对检修设备抽真空操作,真空度达到5毫米汞柱,并保持负压8小时,压升不得超过6.3毫米汞柱即为合格。才可以进行下一步充注制冷剂及冷冻机油的操作。
        3.5最后,需要对换热器管程进行清洗预膜,首先清洗表面腐蚀产物,同时使设备表面即换热管内壁得到活化,有利于保护膜的形成,其次预膜能够在设备表面及换热管内壁重新形成完整的保护膜,提高设备抗腐蚀能力,延长设备的运行周期。在清洗预膜期间挂入监测挂片,以监测腐蚀速度和预膜效果,通常目测挂片表面有无彩色色晕,或用硫酸铜溶液检验预膜效果。
        3.6以上过程完成后,即可恢复油冷却器各连接管,检漏正常后投用。
        4 预防措施
        对于水冷式换热器因为接触的水质影响,为了延长设备使用寿命,需要采用一些预防性保护措施。
        4.1针对现场的实际情况,采用牺牲阳极法对换热管实施阴极保护。牺牲阳极在冷却水的环境中与被保护的碳钢换热管板相连,作为牺牲材料的金属或合金优先溶解,释放出的电流使碳钢换热管阴极极化到保护电位而实现保护,减缓腐蚀。因此我们在换热器冷却水水室增加镁合金牺牲阳极,通过消耗牺牲阳极中的镁合金,保护碳钢材质设备的铁元素的化学反应,延长设备本体的使用周期。下图为增加镁合金牺牲前后的情况对比,左图为安装前的换热器水室中镁合金牺牲阳极材料,右图为使用三个月后打开检查时镁合金阳极的消耗情况。
        图七:换热器水室中镁合金安装图         图八:三个月后镁合金消耗情况图
      
        4.2定期检测循环冷却水的水质,及时补添药剂,特别注意缓蚀和除垢组分的控制,这是保障碳钢管束在循环冷却水中稳定运行的重要环节。
        4.3定期清洗换热管束,及时清除附着在管壁上的锈瘤,结垢、黏泥及青苔等杂物,减少垢下腐蚀的发生,同时改善换热器的换热效果。
        4.4机组长时间停机时,需要将冷却水排净,并吹干换热管管束,并用氮气密封保护。
        5 结束语
        管壳式换热器是由一个壳体和包含许多管子的管束构成,冷热流体之间通过管壁进行换热的换热器。它适用于冷却、加热等方面。本论文是基于当前企业生产中管壳式换热器泄漏频繁进行原因分析,对管壳式换热器的现状寻找问题,对频繁泄漏部位制定预防措施延长使用寿命,进而提高能源利用率。
        如今各种新型、高效换热器相继开发与应用给企业带来了巨大的经济效益,管壳式换热器是企业使用率最高、效果最好的一种换热器,此论文没有从根本上分析解决管壳式换热器的泄漏问题,在以后的工作实践中我们将继续关注管壳式换热器运行情况
        参考文献:
        [1]张军,管壳式换热器泄漏原因分析及改进设计报告,《压缩机技术》2017年第02期.
        [2]覃裕才,换热器检修过程中换热管查漏方法新技术,2018.
        [3]刘宗振,换热器检修过程中换热管查漏方法新技术,2015,44(06).
        [4]马丽杰 郭忠诚 宋曰海.镁合金牺牲阳极及其在防腐工程中的应用.四川化工与腐蚀控制,2003年,第三期:第38-39页.
 
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