Ca rlos Gamio 翻译：薄长春(大庆油田供电公司)荀 立(大庆市外事办)
校对：马颖洁(大庆油田设计院)
摘 要：换热器可靠性的关键因素来自于好的设计、可靠的检验数据，以及管束工作寿命的精确预测。通过对6年、22年、30年老厂的装置中使用的换热器的故障情况进行调查，总结出故障发生的概率及其原因，确定了三个重点改进方案:①管子测试; 主题词 管壳式换热器 可靠性方案 应力腐蚀破裂 微振磨损
一、前言
随着工厂设施的日益老化，提出改进换热器可靠性的系统方案是十分重要的。通过对墨西哥湾岸区的所有工厂设施推行换热器可靠性方案之后,Lyondell化学公司预言因换热器管子漏失而导致的非计划装置停车的次数将大大减少。1997年，墨西哥湾岸区Lyon2 dell工厂设施中，换热器管子故障占非计划停车总数的31%，导致非计划生产中断损失达1200万美元。
一个多学科小组研究了管子故障状态，并开发出改进换热器可靠性的系统方案。该小组在换热器设计、制造、使用、维护保养及检验方面提出了建议。
二、故障概况
解决换热器可靠性的第一步是了解问题并出“隐患”之所在。
随着该小组调查故障原因工作的展开，储存和分析检验数据和故障数据的公用数据库便显得愈加重要。于是又开发了一个换热器数据库，用来储存设备设计资料、管子测试结果、故障机理、换管子/更换数据、更换的先后顺序，以及生产临界系数。
长途运输鱼苗时对来自6个较大生产装置的共1164台换热器进行了研究。这些生产装置已运行了730年。
绝大部分换热器的检验文件依然保存良好，而且还有从施工之日起更换管子的情况记录。其中有534台换热器的故障被鉴定并归纳为10种故障机理。换热器故障被定义为计划中的或非计划事件(即预料中的或意外事件)，有的是更换换热器(以同类换热器更换或更新改进)，有的是换管子(全部更换或部分更换)和/或修理。下面列出的最主要的五种故障机理占总故障率的90%。
1、碳钢管冷却水欠沉积腐蚀;
2、工艺过程腐蚀;
3、冷却水运作中不锈钢管的应力腐蚀破裂(SCC);
4、蒸汽/凝析液腐蚀;
5、工艺过程污垢。
在总数为1164台换热器中，经历某种类型故障机理的有534台。图1给出了全部故障机理的分布情况。图2是在较老和较新装置中故障机理的分布情况
。
图1 故障机理分布
在一个具有30年历史的老厂中(见图2a)，绝大多数发生在碳钢管内径上的冷却水故障都是由欠沉积腐蚀造成的。47台出现冷却水故障的换热器中有15台是冷却水在管际空间。在18台由于工艺过程腐蚀导致的管子故障中,40%进行了金属材质方面的更新。cnc真空吸盘
在一个已有22年历史的老厂中，共有266台换热器，竟有140台发生过故障(见图2b)。正如在30年老厂中所发生的情况一样，碳钢管内径上出现的绝大多数冷却水故障都是由欠沉积腐蚀造成的。在19个应力腐蚀破裂故障中，由冷却水在管际空间导致的故障占16个。
在由工艺过程腐蚀而导致故障的换热器中,70%在管子金属材质方面进行了更新。蒸汽或凝析液腐蚀故障的平均初次故障时间(M TTF)为17年。4个磨蚀故障均发生在再沸器的入口。
经过对一个运行6年的老厂所做的最新调查发
图2 换热器历史概况
现，在238台换热器中有33台曾发生过故障。其中
12起应力腐蚀破裂管子故障中，有7起故障发生在不锈钢管子上，原因是管际空间有冷却水。其中5台换热器管束被更换成SS 2205材料。在12个应力腐蚀破裂故障中，有个是海军黄铜管子故障。经过对每个生产装置的换热器冷却水故障所做的微布尔分析，发现平均初次故障时间为72132年。
工作组确定出三个重点改进方案，以便最大限度地减小将来管子在运行中的故障:
1、管子测试;
2、检修期更换管子;
3、设计改进。
三、管子测试
检测换热器的工艺技术在不断地改进和提高。Lyondell 公司的经验表明，由于测试人员及所用仪表的不同，其测试结果有着显著差异。
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人的因素对非破坏性检验(NDE )工作的影响将随着当今NDE 技术复杂性和先进性的提高而变得愈加突出。通过对近年来某些管子所发生故障的基本原因的分析，认识到所缺少的是可靠的技术和技术人才。
工作组通过审查和评价当前NDE 技术的效果而开始研究管子测试工艺技术。根据管材、管子净度、预期的缺陷类别，以及工厂检验部门的偏爱和经验，而采用了不同的工艺技术。检验非铁磁管子的最佳方法是常规的涡流探伤。该方法在NDE 组织机构中得到良好确定，并被ASN T (美国非破坏性检测协
会)和ASTM (美国材料和测试协会)接纳为检验非铁磁管式产品的标准方法。从80年代末期开始,Lyon 2dell 公司就已采用该方法，并且对其十分依赖。
然而非铁磁管子双测试环境要求较苛刻。管子结垢和磁导率变异是造成不精确测试结果的主要原因。Lyondell 公司在对碳铜管所进行的NDE 测试中，其结果差异很大。操作员的技能有时也是个问题。
没有任何国家机构承认或对测试铁磁管子的技术进行标准化。目前,Lyondell 公司采用下述四种技术测试铁磁管子:
1、远程矿场涡流测试(RFEC );
2、部分饱和涡流测试(PSET );
3、磁漏(MFL );
4、内部旋转探伤系统(IRIS )。每种技术均有其局限性。工业性研究和Lyondell 公司的经验表明，在检测能力和精确度方面存在相当大的差异。
多学科小组已开发出一种程序，可通过性能测试来鉴定NDE 工艺技术、硬件并对操作员进行考核。开发该程序的目的是在检修期间测试、排序并且采用顶尖技师、硬件和工艺技术，获得可靠的管子测试数据。
使用在Lyondell 工厂中到的最通用的管径和材料装配了一台模拟换热器。每个管子上带有一组已知裂痕，其类型和位置是模仿实际情况而设置的。
此外，使用从装置在用换热器上拆下的带有真正裂痕的管子，以满足定量分析需要，并且模拟脏管中存在的初动效应。安装了随机安慰性管子(无缺陷管子)以进一步验证操作员的工作能力。
在一个工厂，操作员的常规工作是进行初步测试。图3给出了由同一水平的3个操作员所进行的测试结果。该图给出了实际物理缺陷与测得缺陷的大小。远程矿场涡流测试法和磁漏测试法的散射程度最大。这是因为这些方法在检测特定类型的缺陷时都有
其局限性
。
图3 管子测试结果
目前的计划是在下一个检修期间测试所有的操作
员、硬件和工艺技术，以便建立一个基线质量标准。该方法将在每个检修期间加以补充完善。
为了前后一致，质量保证计划将由一个人来协调，这个人还要实施测试协议，给NDE 技术人员定级，并且保存被测试个人的数据库。
四、换管子方针
过去，采用不包括管子漏失的运作或安全/环境后果的一套狭隘标准，已研究制定出管子测试和更换的检修范围。非计划更换管子的数量很大。
永磁电机设计工作组意识到需要有一种以承担风险为基础的形式方法，优化被检验的管束，并根据故障的潜在情况以及故障的后果更换管子。为了提供一种能预测出有问题换热器的系统而又前后一致的方法，并且进而制定出详尽的检修范围，已开发出换管子分析矩阵。
在研究制定检修范围的过程中,Lyondell 公司要求由操作、维护保养和可靠性工程设计人员构成的多学科小组，对检验和换管子的先后顺序表进行审查并签字。
换管子分析矩阵是基于评分法而得来的。可以得到的最高分数是16;0是最低风险，而16是最高风险。矩阵中采用了下述四个风险系数:
1、管龄系数;
2、残存使用年限系数;
3、生产临界系数;
4、运转系数。
管龄系数给出了当前的管束工龄与过去管束平均
工龄的对比。残存使用年限系数是根据目前管壁损失和腐蚀速率而得来的。生产临界系数涉及到管子漏失的企业和/或安全/环境后果。运转系数主要包括与再沸器、冷却水换热器以及机械设计有关的诸多变量。每个系数可以得到的最高分数是4分。
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检验及换管子的先后顺序是根据总分数而确定的。下面给出了3种风险类别:
1、更换管子,1116分;
2、优先检验,810分;
3、正常检验,17分。
换管子类别的换热器为高风险换热器，而且计划在检修期间更换管子。列入“优先检验”类的换热器，已计划在检修初期进行测试，这样，如果需要检修的话，在检修期间尚有足够的时间更换管子。
检修小组必须估算是否需要检修用材料和/或在车间为这些换热器检修留出空间。“正常检验”类换热器预期不会有问题，其检验时间排在“优先检验”换热器之后。
勒夫波图4对采用传统方法与采用换管分析矩阵进行检修而制定的范围做了对比
。
图4 检修期间换管子计划
根据过去管子在运作中的故障(可靠性达到的程度)以及过去的检修范围，确认并完善了换管子分析
矩阵方法。在运作中出故障导致生产损失的换热器，如果采用了换管分析矩阵，则会有77%在检修过程中被更换管子，剩余的23%换热器将被纳入“优先检验”一类。
检修期间非计划更换的管子中，有91%处于“换管子”或“优先检验”一类。
图5是根据过去运作中的故障与检修期间非计划换管子的情况而对该分析矩阵的评价。
图5 换管分析矩阵
五、设计改进
多学科小组经过多次验证，对其换热器设计标准做了若干改进，以提高生产中换热器的可靠性。新标准包括下述要求:
1、管际空间冷却水换热器应使用二联不锈钢管。
通常，冷却水在管侧;
2、经工作组鉴定，用于有污垢的工艺过程时,
冷却水必须在管侧;
3、带合金管的换热器，而且冷却水或蒸汽在管
际空间时，必须使用不锈钢内件，如挡板、连接杆以及管子支持件;
4、碳钢管直径至少应为∃/in ;
5、应使用可拆卸的U 形管束，而不用固定的或
焊接的U 型管束;
6、蒸汽再沸器应使用双排硬冲击杆而不用冲击
板。其入口面积的最大允许ρv 2
值被缩小到2400，其中ρ为蒸汽密度,v 为蒸汽速度;
7、在工作组确认的运作中，管子与管板接口应
为加强焊;
8、对于组装式制冷装置，必须选用90-10Cu -Ni 材质;
9、应使用Inconel 600、Incoloy 800或Inconel 825膨胀伸缩式波纹管，以防外部应力腐蚀破裂;
10、应包括承插焊管板通风口和排污口;11、所有的工艺过程换热器必须是蒸汽(排放)
设计结构;
12、高温换热器的主法兰上要求有致密的平面
度;
13、主法兰必须使用锯齿状金属垫片(如Kammprofile 垫片)。
资料来源于《Oil &G as Journal 》1999年8月
(收稿日期 199912
01
)
(上接第18页)
图2 87口老井的故障情况(FPWPY)
表3和图3为63口新井的单井年平均故障次数
(因为这些井是在方案优化设计实施后完钻的，所以没有可进行比较的方案前的数据)。
表3 63口新井的FPWPY 变化情况(1995/1996至1996/
1997
,1995/1996至1997/1998)
1995/19961996/19971997/1998变化(%)变化(%)
管漏—025024无无杆断脱—017017无无泵检修—
067
033无无
图3 63口新井的故障情况(FPWPY)
对150口井在“方案优化设计”实施前后两年中
的动态情况进行对比就会发现管漏、杆脱和泵修都降低了。利用单井年平均故障次数的动态分析可对新井和老井进行统一规范化。
资料来源于美国《World Oil 》1999年11月
(收稿日期 199912
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