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哈雷釬焊板式換熱器
專業生產:換熱器;分水器;過水熱;冷卻器
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GH型列管式石墨換熱器的泄漏原因

點擊:1566 日期:[ 2014-04-26 22:00:42 ]
                                GH型列管式石墨換熱器的泄漏原因                                       郭建民 許麗 張敬宇                            (葫蘆島華天實業有限公司,遼寧葫蘆島125001)     [摘要]介紹了GH型列管式石墨換熱器3種典型的泄漏形式,從設備制作、工藝控制等角度分析了泄漏原 因,提出相應的解決措施。     [關鍵詞]列管式換熱器;石墨換熱器;泄漏原因  [中圖分類號]TQ114. 15 [文獻標志碼]B [文章編號]1008-133X(2009)01-0040-03     GH型列管式石墨換熱器具有優良的耐腐蝕性和傳熱性,廣泛應用于氯堿生產中,如用于氯化氫合成工序的脫酸冷凝器、乙炔和氯化氫混合脫水工序的預熱器[1]。列管式石墨換熱器結構如圖1所示。                        其結構形式是:不透性石墨換熱管和管板用粘接劑粘接組成管束,放置于鋼制圓筒殼體內,兩端設置不透性石墨材料或鋼襯膠的封頭。     下面結合多年實踐經驗分析GH型換熱器泄漏的幾種原因,并力求找出解決措施。     GH型換熱器的主要泄漏形式有3種:列管泄漏、管板泄漏、殼體泄漏。     1 列管泄漏     1.1 換熱管本身的泄漏     (1)換熱管本身泄漏是由管體質量差造成的。     GH型石墨換熱器使用的是酚醛石墨壓型管, 由人造石墨粉和酚醛樹脂按一定比例配制,混合、擠壓而成。由于其密實無孔,不須進行樹脂浸漬或表面機加工,管體本身必須固化完全、表面光潔、無宏 觀裂紋、無砂眼等。安裝換熱器時,若單管的試壓、表觀檢測不嚴格,不符合上述要求的換熱管就會被 誤用。換熱管以粘接形式固定在管板上,形成管束 對管板的約束作用。生產使用中,管板受介質壓力, 必然發生彎曲變形,與其相連接的換熱管也就會發生兩種變形:①使之發生縱向拉伸或壓縮;②使之隨著管板的撓曲而發生彎曲,并且越靠近邊緣的管彎曲越大。而有缺陷的石墨壓型管若布置在受力變形較差的區域時,很容易發生斷裂致泄漏。這種泄漏形式并不多見。     (2)凍裂。     在泄漏的石墨管中發現有類似冰狀的結晶物, 結晶物的位置即為石墨管的開裂或斷折點,該泄漏為凍裂。乙炔和氯化氫混合冷凍脫水利用的是氯化 氫吸收水分并以40%的鹽酸霧狀析出的原理,而當 降低溫度時,可生成更濃的鹽酸和更低含水量的混合氣。因此,在一定范圍內溫度越低,混合脫水的效果越好。但當溫度降至-25~-20℃時,飽和鹽酸易形成水化物結晶,堵塞列管,輕則脫水系統因阻力 大緊急停車,嚴重時管內結晶物因體積膨脹擠裂石墨管,造成設備的大面積損壞。為避免此類情況,脫水溫度一般控制在(-14±2)℃。     凍裂造成的列管泄漏主要是工藝控制不達標, 析出水化物結晶造成的。解決凍裂的措施是嚴格控制脫水溫度的下限值。     1.2 管頭與管板連接處脫開泄漏     GH型換熱器管頭與管板采用膠粘連接形式, 圖2[2]是GH型換熱器常用的管板、列管連接方式。                        這種連接方式對制作安裝要求較高。①黏合劑 的許用剪切應力要足夠大。因為在粘接面上,要能 承受由溫度、操作壓力以及設備裝配時所產生的軸 向力,還要能承受立式安裝時物料和設備重力所引 起的軸向力。這幾種合力在粘接面上共同產生的剪 切應力不能超過黏合劑的許用剪切應力。②要采用 合理的粘接面。要保證管頭插入管板的深度和錐度 尺寸,以確保足夠的粘接強度和氣密性。插入長度 要適當,不足,抗拉脫力不夠;過長,粘接處產生的溫 度應力大,反而有害。制造單位一般有明確的規定。 ③膠粘質量要穩定。這涉及到黏合劑的制備和膠粘 工藝的合理性(如粘接面四周的膠泥是否均勻,是 否存在氣孔,各石墨管的長度偏差是否在規定范圍, 管頭與管板孔的嚴密貼合程度如何)。若施工不 當,則易造成各列管抗拉脫力嚴重不均衡,抗拉脫力 弱者先泄漏。     在實際生產中,遇到的泄漏情況多為3種因素 的共同作用。而在操作異常情況下:如乙炔和氯化 氫混合脫水工序發生過氯事故,造成生產系統溫度 壓力驟升,黏合劑抗拉脫力相對不足發生泄漏。以 正常生產情況考慮,應以提高黏合劑的許用剪切應 力和提高粘接質量為首要考慮的解決措施。     2 管板泄漏     管板失效情況并不多見,偶然性偏大,在乙炔和 氯化氫混合脫水工序曾出現3次,具體情況如圖3。                          (1)管板沿厚度方向出現貫通裂紋(該失效形 式出現過1次)。①管板制作存在質量問題。乙炔和氯化氫混合脫水工序使用的是GH900Ⅱ型冷凝器,管板直徑900 mm,超過500 mm直徑的管板很少由整體材料加工而成,多采用雙層或多層平板拼 接結構。這樣,粘接縫就成為管板的薄弱區,在受力惡劣條件下,有成為開裂點的可能。②安裝時產生過大的安裝應力。現場安裝設備時,管路、設備間產 生安裝應力不可避免,過大的應力在短時間內不會 破壞粘接,而長時間作用下極易成為開裂的誘因。 因此,安裝石墨設備時要盡量按安裝規范進行,提高安裝質量,避免對石墨件產生較大的應力;管板盡量采用整體材料。隨著石墨加工能力的提高,石墨管板整材化正在逐步實現。     (2)管板上表面出現直徑15~20 cm、深1 cm 的“崩裂”———石墨材質以碎塊形式成片脫落(該泄 漏形式出現過2次),這種情況基本是由生產系統 異常操作造成的。2次“崩裂”泄漏都是在系統出現 過氯事故后發生的。其原因如下:GH900Ⅱ型冷凝 器的管板是采用雙層或多層平板拼接結構,加工成 品后浸漬酚醛樹脂而成。粘接縫樹脂和浸漬樹脂與 石墨材料的熱膨脹系數不同。在較高操作溫度下浸 漬樹脂和石墨材質將發生顯著熱變形,因其熱脹率 不同(樹脂膨脹變形要大于石墨材質),變形不均造 成兩者間產生溫度應力。溫度應力足夠大時,石墨 材質受浸漬樹脂擠壓發生脆性斷裂,而多個微觀的 脆性斷裂點、斷裂區積聚成較大的宏觀“崩裂”。 可見,造成石墨管板“崩裂”的原因是過氯事故 給系統帶來瞬間高溫、引發管板組成材質間較大溫 度應力的結果。避免該情況出現的措施:合理調節 HCl合成過程中的氫氯比,確保游離氯反應安全,遏 止混合器中可能出現的氯、乙炔的過氯反應。     3 殼體泄漏     殼體泄漏的部位如圖4所示。區域1為回水管 口水平對應的殼體位置,即最高液面對應區域;區域 2為殼體各水平、垂直焊縫。                          泄漏原因分析:GH900Ⅱ型冷凝器的冷凝介質為-35℃鹽水(CaCl2水溶液,相對密度為1. 275~ 1. 295, pH值為7),換熱器殼體材質為Q235A。該 冷卻循環系統存在均勻腐蝕和局部腐蝕。 (1)該循環冷卻系統在鹽水箱側是敞開的,故 水中溶解氧濃度較高。pH值在7左右,氫離子濃度較低。這種情況下,碳鋼表面腐蝕電池中的陰極反應主要是氧的還原,陽極反應則是鐵的陽極溶解:                                               在正常情況下,殼體發生腐蝕均是由于循環水 中溶解氧濃度較高導致的均勻腐蝕和局部腐蝕。均勻腐蝕是發生在整個冷卻循環系統的;而局部腐蝕 主要是以區域1、區域2為主的電化學腐蝕,以及石 墨材質與鋼殼體直接接觸處的電偶腐蝕。     區域1腐蝕嚴重是因為在該處的鹽水表面空間富氧,致使該處陽極反應快于其他部位,碳鋼腐蝕速率加快。     區域2即焊縫腐蝕是典型的孔蝕。焊縫材料與金屬母材在化學成分上有差異,兩者具備形成腐蝕電池的條件。焊縫在焊接過程形成的焊接缺陷,如夾渣、氣孔、焊接不均為孔蝕發生提供場所; CaCl2 水溶液中的Cl-促進反應進行, Fe在蝕孔內溶解, 生成Fe2+,造成蝕孔內正電荷過量,使Cl-遷移到蝕 孔中維持溶液的電中性。因此,蝕孔內有高濃度的 FeCl2,FeCl2水解產生高濃度的H+、Cl-,進一步促進焊縫材質的溶解。循環系統供多臺換熱設備使 用,若某一臺管程介質含HCl的換熱器發生泄漏, 且發現不及時,循環系統內pH值會快速降至3以下,循環系統內將發生電化學腐蝕(這種情況屬異常情況,較少見)。兩種腐蝕的疊加作用將進一步加快區域1和區域2的泄漏。     有效避免殼體泄漏的方法:①采取材質為石墨 的殼體,破壞電化學腐蝕形成條件;②鋼制殼體內部 做防腐涂層,進行陰極保護;③嚴格控制工藝指標, 及時發現生產異常,確保鹽水循環系統pH值≥7。     參考文獻     [1]嚴福英.聚氯乙烯工藝學[M].北京:化學工業出版社, 1990.     [2]許志遠.石墨制化工設備[M].北京:化學工業出版社, 2003.     [3]周本省.工業冷卻水系統中金屬的腐蝕與防護[M].北 京:化學工業出版社, 1993. [編輯:董紅果] 
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