原油處理系統(tǒng)脫水換熱器技術(shù)問題分析及對策

原油處理系統(tǒng)脫水換熱器技術(shù)問題分析及對策

熱媒技術(shù)特點(diǎn)菊島中心2號平臺位于濱水25區(qū)的主體部分。它每年負(fù)責(zé)150萬噸原油的預(yù)處理和輸出工藝。原油、天然氣分離和外部原油輸送對原油溫度有嚴(yán)格的要求。該平臺原油加熱使用的熱媒換熱系統(tǒng)主要由3臺GL4700C—DY/1.6—QCY型熱媒加熱爐、4臺熱媒泵、1個(gè)10m3熱媒膨脹罐、2臺原油換熱器、1臺外輸換熱器和1臺熱水換熱器組成。系統(tǒng)傳熱介質(zhì)為T-55導(dǎo)熱油,原油走殼程,熱媒油走管程。與其它原油加熱方式相比,熱媒換熱技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn):①熱媒爐的熱效率可達(dá)90%以上;②自動(dòng)化程度高,包括自動(dòng)點(diǎn)火控制系統(tǒng)、自動(dòng)超溫控制系統(tǒng)、自動(dòng)流量控制系統(tǒng)及燃燒器自動(dòng)吹滅系統(tǒng)等;③安全性能好,先進(jìn)的熱媒爐可通過DCS集散控制實(shí)現(xiàn)與總控制室的遠(yuǎn)程控制,一般可以安全運(yùn)行10年以上,可實(shí)現(xiàn)無人職守;④運(yùn)行過程中安全、可靠,其運(yùn)行費(fèi)用較一般的熱爐低;⑤該系統(tǒng)熱效率高,占地面積小,可直接使用分離出的天然氣作燃料,更好地滿足海上生產(chǎn)的需要。熱媒換熱系統(tǒng)存在的問題埕島中心二號平臺熱媒系統(tǒng)于1998年正式啟運(yùn),該熱媒換熱器屬于折流板管殼式換熱器中的一種類型。在裝置工藝性能方面暴露出一些問題,特別是在耐沖擊、抗振動(dòng)方面比較突出,多次因換熱管與管板焊縫開裂而造成熱媒油滲漏而返廠更新。為此,筆者從實(shí)際應(yīng)用中的失效形式入手,深入開展研究,分析出造成換熱器產(chǎn)生焊口裂縫的原因,主要有以下幾種。1.管束沖擊產(chǎn)生的主要機(jī)理熱媒換熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是針對穩(wěn)定介質(zhì),除管板焊接處以外,其內(nèi)部換熱管均處在無支撐的自然狀態(tài)下,使內(nèi)部換熱管不具備抵抗沖擊的能力。而實(shí)際上,進(jìn)入換熱器的流體為原油、水、天然氣的混合物,當(dāng)原油從管道中流入換熱器時(shí),混合流體因體積變大,壓力降低,導(dǎo)致大量天然氣從流體中析出,對換熱器產(chǎn)生較大的沖擊力。沖擊力直接作用在支撐較少的管束上,管束再將振動(dòng)傳到管束與管板的焊縫上,這樣長期對管束與管板之間焊縫的沖擊就會(huì)造成焊縫因疲勞等原因而產(chǎn)生裂紋。在振動(dòng)引起的交變應(yīng)力作用下,位于主應(yīng)力方向上的裂紋迅速擴(kuò)展,從而最終導(dǎo)致管束疲勞失效,是產(chǎn)生事故的根本原因。2.徑流換熱器速度速度原油中含有SO2、H2S等成分,具有很強(qiáng)的腐蝕性,并且原油在流經(jīng)換熱器時(shí)的速度較高,進(jìn)一步加劇了換熱器因腐蝕和磨蝕所造成的破壞。在對一些換熱器解體過程中,可以很明顯地觀察到換熱管與管板存在較嚴(yán)重腐蝕和磨蝕,少數(shù)換熱管已經(jīng)嚴(yán)重變形,無法使用。3.產(chǎn)生焊接缺陷熱媒換熱器在焊接時(shí)所采用方法為常規(guī)焊接,在焊接時(shí)存在以下主要問題:①產(chǎn)生焊接缺陷如燒穿或未焊透;②焊接接頭處產(chǎn)生熱應(yīng)力,引起應(yīng)力腐蝕;③管子與管板孔之間存在間隙,殼程介質(zhì)進(jìn)入到間隙之中,引起縫隙腐蝕;④焊接不銹鋼材料時(shí),容易在熱影響區(qū)造成金相組織的改變,使耐蝕性驟降。4.高溫積碳層的形成過程熱媒系統(tǒng)中采用的傳熱介質(zhì)為T-55導(dǎo)熱油,主要成分為多環(huán)芳烴、醇、石油餾分。在長期高溫使用過程中,導(dǎo)熱油會(huì)逐漸產(chǎn)生熱裂解、熱老化。初期生成的高碳聚合物易沉積在爐體、管道內(nèi)壁,時(shí)間一長將會(huì)逐步形成中溫積碳層,致使導(dǎo)熱油的粘度、殘?zhí)剂吭黾?從而加快其裂解老化過程,如此循環(huán),最終將形成堅(jiān)硬致密的高溫積碳層,即結(jié)垢。一旦結(jié)垢,將大大降低熱傳導(dǎo)效率,加速導(dǎo)熱油的老化失效,導(dǎo)致?lián)Q熱器工況變差,影響換熱器使用壽命,同時(shí)還會(huì)使調(diào)節(jié)閥控制能力下降,流量計(jì)靈敏度降低,增加了因故障而停爐的幾率。5.設(shè)備內(nèi)部活性炭結(jié)膠巖熱媒系統(tǒng)中由于熱媒換熱器刺漏,膨脹罐無隔氧措施等因素影響,容易使導(dǎo)熱油氧化變質(zhì),降低了熱傳導(dǎo)效率,也容易引起設(shè)備內(nèi)部碳化結(jié)膠。通過對T-55導(dǎo)熱油取樣化驗(yàn),所得到結(jié)果如表1所示。表1中的中和值表示中和1g物質(zhì)所消耗氫氧化鉀的質(zhì)量讀法(毫克氫氧化鉀每克)。由表1可以看出油樣的中和值、丙酮不溶物、高沸物等物性指數(shù)均超出行動(dòng)指標(biāo),導(dǎo)熱油存在著嚴(yán)重的氧化和過熱問題。性能得到了顯著改進(jìn)針對熱媒換熱器存在的運(yùn)行缺陷,采取了多種技術(shù)措施,對換熱器的運(yùn)行管理和工藝結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn),使換熱器的工作性能得到了很大提高。1.對管束與管焊縫的沖擊(1)改變流速的減振措施為了減小因流速的變化而引起的沖擊,大修時(shí)在原油入口腔體內(nèi)增加1個(gè)導(dǎo)流筒,在換熱器內(nèi)形成一個(gè)緩沖腔,在導(dǎo)流筒上分布著形狀各異的導(dǎo)流孔,當(dāng)原油進(jìn)入換熱器后先進(jìn)入緩沖腔,在緩沖腔內(nèi),換熱器筒體和緩沖導(dǎo)流筒將吸收因流速的變化而引起的沖擊能量的大部分,經(jīng)過緩沖的原油液體通過導(dǎo)流孔流進(jìn)換熱腔與熱媒進(jìn)行換熱,原油通過這一過程將大大地減少振動(dòng),從而減輕振動(dòng)對管束與管焊縫的沖擊,達(dá)到延長換熱器使用壽命的目的。(2)增加管束阻尼系數(shù)在換熱器的制造過程中為了防止翅片管的相互嵌入,在每1根翅片管上均套上了由2mm厚的鋼板煨制的防嵌支撐圈,在沒有振動(dòng)的工況下,可以滿足一般的工藝要求,但是,在目前的工藝情況下,無法滿足工藝要求。為了將振動(dòng)降至最低,大修時(shí),采取了2種支撐形式,一是采取部分鋼質(zhì)支撐圈用于保持翅片管的相互位置;二是再增加一部分耐溫軟質(zhì)支撐圈,要求材質(zhì)具有一定的耐溫能力和一定的硬度和柔韌性,起到吸收振動(dòng)的作用。(3)增加邊側(cè)支撐板的強(qiáng)度在正常的工況下,換熱器的邊側(cè)折流支撐板足以滿足工藝的使用要求;但是,目前的原油工藝條件產(chǎn)生了較大的振動(dòng),在振波的沖擊下,造成換熱器筒體和懸浮的管束產(chǎn)生不同的振幅,換熱管與管板之間的焊縫在不同的振幅作用下產(chǎn)生撕裂的缺陷是不可避免的。如何加強(qiáng)管束的整體剛性,促使換熱器筒體和懸浮的管束保持相同的振動(dòng)是避免換熱管與管板之間的焊縫撕裂的有效手段。為了裝配的需要,原廠換熱器的邊側(cè)折流支撐板與筒體之間的間隙約為10～30mm,為了增強(qiáng)筒體與管束的一致性,必需減小邊側(cè)折流支撐板與筒體之間的間隙,這樣,可大大地促使換熱器筒體和懸浮的管束保持相同的振幅,將作用在換熱管與管板之間焊縫的作用力降至最低,以延長換熱器的使用壽命。2.角型焊接結(jié)構(gòu)的確定筆者還對施工中的焊接工藝做了如下技術(shù)改造:①打磨管端防止結(jié)點(diǎn)污染,控制焊接過程不發(fā)生燒穿或未焊透等缺陷;②將單面焊接改為雙面焊,要求每根換熱管與管板連接的兩側(cè)均焊接,焊接方法采用氬弧焊,焊角高為2mm;③變管板與管束前端的平齊焊接結(jié)構(gòu)為管束伸出一定長度的角型焊接結(jié)構(gòu);④制造專用的工裝將管束與管板由平放位置改為立放狀態(tài),變換熱管與管板前側(cè)的垂直焊接形式為水平焊接形式,以達(dá)到角焊接的焊接要求,改造前后焊接方式對比見圖1。3.清洗工藝及設(shè)備經(jīng)認(rèn)真分析設(shè)備現(xiàn)狀及結(jié)垢情況,對熱媒爐盤管和換熱器的管束進(jìn)行定期清洗,每年1次。根據(jù)取樣化驗(yàn)分析,爐內(nèi)結(jié)垢主要成分為:積碳、焦油、膠性物、硫化物及其酚類等。針對結(jié)垢成分和熱煤爐現(xiàn)狀,筆者對清洗藥劑、工藝過程都進(jìn)行了詳細(xì)優(yōu)化。其中具體清洗工藝包括:①水沖洗,沖掉設(shè)備內(nèi)部松軟污物,同時(shí)檢測所有流程有無滲漏;②脫脂處理,清洗污垢表面導(dǎo)熱油,并對油污進(jìn)行疏松軟化,為下步除垢清洗作好準(zhǔn)備;③清除結(jié)垢,通過一系列化學(xué)藥劑徹底清除設(shè)備內(nèi)部形成的各種碳垢、銹蝕以及其它污物,并采用清水沖洗至出