丙烯腈裝置E102E換熱器的故障分析與設計改進
作者： ‖ 時間：2015/6/23 ‖ 來源： ‖ 點擊：5528
丙烯腈裝置E102換熱器的故障分析與設計改進
1.馬曉云 2.田洪成
(1.齊魯石油化工公司腈綸廠， 淄博 255000; 2.山東省安泰化工壓力容器檢驗中心 ， 濟南 250000 )
摘要：本文通過對丙烯腈裝置反應氣體冷卻器E102當中Ω膨脹節的使用和國產化過程設 計的分析，說明了Ω節膨脹是一種補償量大、強度好，能夠滿足大補償量和壓力較高的換熱設備需要的膨脹節。
關鍵詞： 換熱設備 Ω 膨脹節 強度 補償
1 前言
齊魯石化2.5 萬噸 /年丙烯腈裝置是于1988年引進的美國BP公司成套技術，于1991年建成，1992年投產 。97 年利用先進技術對該套裝置進行改造， 形成成套裝置的國產化，E102換熱器在這次改造中是最重 要的國產化改造設備之一。
在丙烯腈裝置中，E102是丙烯腈生產過程中最重要的換熱器，是將反應器R101反應生產出來后的反應氣體進行冷卻的關鍵設備，其結構形式見圖 1。其管程進口氣體溫度為450℃，出口溫度為 200℃，上下管板的溫差達到250℃，殼程的冷卻介質的進口溫度為 185℃，出口溫度237℃， 管殼程的******溫差高達 213℃，導致管殼程的熱膨脹量相差較大，又由于設備 的操作壓力高，因此換熱器膨脹節的選型、設計、制造和安裝是本設備設計的技術難點。
2 改造前使用情況及故障原因分析
2.1 改造前情況簡介
E102在改造前所使用的設備是當時隨技術一同引進的進口設備，所使用的補償器是目前*********的Ω膨脹節。自1992年裝置投產后至1994年使用情況尚可，以后上下管板的列管焊縫經常出現裂紋，從而導致冷卻介質泄漏，其中上管板尤為嚴重，有時在這一千多根列管中竟有二百多根出現泄漏。1996 年前斷斷續續出現了膨脹節與殼程的焊縫泄漏，開始幾次用砸鉛堵漏的方法還能維持運行，到1996年4月Ω膨脹節焊縫泄漏越來越嚴重，廠里被迫多次臨時停車的維修處理，維持運行。1998年10月對E102進行了國產化更新改造。
2.2 故障原因分析
( 1) 膨脹節的膨脹量選用不夠合理。此長度設備的膨脹補償量為6.01mm(由后面的計算可以看出)，而當時所選用的膨脹節的******補償量只有 5mm，因此不能夠滿足補償要求，這是造成列管受壓的一個主要原因。
( 2) 由于在設備進口運輸過程中，隨設備的單波Ω膨脹節受到損壞，在驗收時發現后，又從國外生產廠家索賠了一個新的單波Ω膨脹節，而當時國內對此究極少，安裝人員對Ω膨脹節的性能和安裝要求更是不甚了解 。而由于其補償量不能滿足要求，在安裝時也沒有考慮對Ω膨脹節進行預壓安裝處理(如果進 行3￣5mm的預壓縮，可能會彌補其設計的不足)。因此在設備運行的過程當中，管程與殼程的膨脹量得不到完全補償，使列管受壓，而這種變形引起的應力是非常大的。在管子受壓的過程當中，列管與管板的焊縫也受到了這種額外的壓 力，加上焊縫補位的應力集中，并且焊縫上的應力還隨著溫度的變化而變化，在這種過應力的長時間作用下，焊縫會出現應力疲勞裂紋。對Ω膨脹節來講，在管程受壓同時，膨脹節與殼程的焊縫則受拉，其焊縫受到的拉應力也是非常大的 ，與上述相同，在這種過拉應力的長時間作用下 ，引起了膨脹節與殼程的焊縫的 應力疲勞裂紋，從而引起介質泄漏。由此，可以得出Ω膨脹節使用時其性能的好壞與設計的合理性和安裝的規范性是密切相關的。
( 3) 上管板是反應氣的進口，其溫度高達450℃，我們知道金屬材料隨著溫度的升高其強度不斷下降，因此，焊縫在450℃高溫的長時間作用下降低了機械強度 ，在應力的作用下，而更容易產生疲勞裂紋。
3 設備膨脹節設計的思路和計算
從原因分析中可以看出，E102換熱器經常出現故障的原因主要是由于膨脹節的設計和選用上不夠合理，設備的其他部位的結構和材料都屬于常見和常用的，因此，該設備設計的重點和難點就集中在膨脹節的設計和選用上，先面也主要就膨脹節的選用設計進行討論分析。
3.1 膨脹節及其材料的選用
該換熱器的換熱溫差較大，管程和殼程的膨脹補償量也較大，殼程的工作壓力
4.37MPa，由于Ω膨脹節與其它膨脹節相比有良好的補償及耐壓性能，所以我們還是采用了進口設備的原技術設計的Ω膨脹節(見圖 2) 。因為Ω膨脹節在成型以后，其殼壁是圓滑的球形曲面，光滑的球面結構在受壓和拉伸的過程中以及受內壓的時候，不會產生應力集中，因此也就減少了由于應力集中而引起的疲勞破壞。因為膨脹節是一個承受變化載荷的元件，在使用過程當中既要 求其有良好抗拉耐壓機械性能和良好的彈性，又要求其有良好的承受變載荷的抗疲勞性能，且該補償器工作溫度達450℃，所以在材料的選擇上我們最后選定了高鎳合金—SB-167，這種材料具有較高的強度 、耐疲勞和良好的加工延展性，能夠滿足使用工況。
3.2 補償量及計算
筒體材料 16MnR：
0℃時，as=10.76×10-6mm/mm℃
270℃時， a's=12.7×10-6mm/mm℃
換熱管 20G：
0℃時， at=10.76×10-6mm/mm℃
460℃時， a't=13.64×10-6mm/mm℃
換熱管和殼體長度均按 L=7500mm 考慮。
殼體伸長量： Δs=(a's- as)·L·Δt =(12.7×10-6- 10.76×10-6)×7500×270 =3.93mm
換熱管伸長量： Δt=(a't- at)·L·Δt′ =(13.64- 10.76)×10-6×7500×460 =9.94mm
由以上計算可得出膨脹補償量 Δ=Δt- Δs=9.94- 3.93=6.01mm.
注：a(sat)代表材料膨脹系數 ;Δ(tΔs)代表膨脹量;L代表換熱管及外殼長度。
3.3 補償器結構的選擇
根據上面的計算，原補償器不能滿足該設備的補償需要，而增大補償量 Ω 膨脹節體積增大，原設備殼體無法安裝，為此我們對原設計的單個波形膨脹節的結構進行了改進，采用原Ω膨脹節結構，改單波膨脹節補償為雙波膨脹節(如圖2)補償，使******補償量可到 10mm，從而既解決了設備補償量不足也解決了安裝的問題。
4 結語
通過以上的討論與分析可以看出，此類換熱器從結構來講與普通換熱器沒有大的區別，但其關鍵的問題就在于如何選用合理的補償器，在目前同類引進裝置中對此類換熱器中實現Ω膨脹節的國產化還屬國內首例 ，從1998年設備的改造采用雙波Ω膨脹節后，設備的運行情況良好，上下管板及膨脹節使用至今未出現損壞的現象。