丙烯腈装置E102换热器的故障分析与设计改进

　　1.马晓云 2.田洪成

　　(1.齐鲁石油化工公司腈纶厂， 淄博 255000; 2.山东省安泰化工压力容器检验中心 ， 济南 250000 )

　　摘要：本文通过对丙烯腈装置反应气体冷却器E102当中Ω膨胀节的使用和国产化过程设 计的分析，说明了Ω节膨胀是一种补偿量大、强度好，能够满足大补偿量和压力较高的换热设备需要的膨胀节。

　　关键词： 换热设备 Ω 膨胀节 强度 补偿

　　1 前言

　　齐鲁石化2.5 万吨 /年丙烯腈装置是于1988年引进的美国BP公司成套技术，于1991年建成，1992年投产 。97 年利用先进技术对该套装置进行改造， 形成成套装置的国产化，E102换热器在这次改造中是最重 要的国产化改造设备之一。

　　在丙烯腈装置中，E102是丙烯腈生产过程中最重要的换热器，是将反应器R101反应生产出来后的反应气体进行冷却的关键设备，其结构形式见图 1。其管程进口气体温度为450℃，出口温度为 200℃，上下管板的温差达到250℃，壳程的冷却介质的进口温度为 185℃，出口温度237℃， 管壳程的******温差高达 213℃，导致管壳程的热膨胀量相差较大，又由于设备 的操作压力高，因此换热器膨胀节的选型、设计、制造和安装是本设备设计的技术难点。

　　2 改造前使用情况及故障原因分析

　　2.1 改造前情况简介

　　E102在改造前所使用的设备是当时随技术一同引进的进口设备，所使用的补偿器是目前*********的Ω膨胀节。自1992年装置投产后至1994年使用情况尚可，以后上下管板的列管焊缝经常出现裂纹，从而导致冷却介质泄漏，其中上管板尤为严重，有时在这一千多根列管中竟有二百多根出现泄漏。1996 年前断断续续出现了膨胀节与壳程的焊缝泄漏，开始几次用砸铅堵漏的方法还能维持运行，到1996年4月Ω膨胀节焊缝泄漏越来越严重，厂里被迫多次临时停车的维修处理，维持运行。1998年10月对E102进行了国产化更新改造。

　　2.2 故障原因分析

　　( 1) 膨胀节的膨胀量选用不够合理。此长度设备的膨胀补偿量为6.01mm(由后面的计算可以看出)，而当时所选用的膨胀节的******补偿量只有 5mm，因此不能够满足补偿要求，这是造成列管受压的一个主要原因。

　　( 2) 由于在设备进口运输过程中，随设备的单波Ω膨胀节受到损坏，在验收时发现后，又从国外生产厂家索赔了一个新的单波Ω膨胀节，而当时国内对此究极少，安装人员对Ω膨胀节的性能和安装要求更是不甚了解 。而由于其补偿量不能满足要求，在安装时也没有考虑对Ω膨胀节进行预压安装处理(如果进 行3￣5mm的预压缩，可能会弥补其设计的不足)。因此在设备运行的过程当中，管程与壳程的膨胀量得不到完全补偿，使列管受压，而这种变形引起的应力是非常大的。在管子受压的过程当中，列管与管板的焊缝也受到了这种额外的压 力，加上焊缝补位的应力集中，并且焊缝上的应力还随着温度的变化而变化，在这种过应力的长时间作用下，焊缝会出现应力疲劳裂纹。对Ω膨胀节来讲，在管程受压同时，膨胀节与壳程的焊缝则受拉，其焊缝受到的拉应力也是非常大的 ，与上述相同，在这种过拉应力的长时间作用下 ，引起了膨胀节与壳程的焊缝的 应力疲劳裂纹，从而引起介质泄漏。由此，可以得出Ω膨胀节使用时其性能的好坏与设计的合理性和安装的规范性是密切相关的。

　　( 3) 上管板是反应气的进口，其温度高达450℃，我们知道金属材料随着温度的升高其强度不断下降，因此，焊缝在450℃高温的长时间作用下降低了机械强度 ，在应力的作用下，而更容易产生疲劳裂纹。

　　3 设备膨胀节设计的思路和计算

　　从原因分析中可以看出，E102换热器经常出现故障的原因主要是由于膨胀节的设计和选用上不够合理，设备的其他部位的结构和材料都属于常见和常用的，因此，该设备设计的重点和难点就集中在膨胀节的设计和选用上，先面也主要就膨胀节的选用设计进行讨论分析。

　　3.1 膨胀节及其材料的选用

　　该换热器的换热温差较大，管程和壳程的膨胀补偿量也较大，壳程的工作压力

　　4.37MPa，由于Ω膨胀节与其它膨胀节相比有良好的补偿及耐压性能，所以我们还是采用了进口设备的原技术设计的Ω膨胀节(见图 2) 。因为Ω膨胀节在成型以后，其壳壁是圆滑的球形曲面，光滑的球面结构在受压和拉伸的过程中以及受内压的时候，不会产生应力集中，因此也就减少了由于应力集中而引起的疲劳破坏。因为膨胀节是一个承受变化载荷的元件，在使用过程当中既要 求其有良好抗拉耐压机械性能和良好的弹性，又要求其有良好的承受变载荷的抗疲劳性能，且该补偿器工作温度达450℃，所以在材料的选择上我们最后选定了高镍合金—SB-167，这种材料具有较高的强度 、耐疲劳和良好的加工延展性，能够满足使用工况。

　　3.2 补偿量及计算

　　筒体材料 16MnR：

　　0℃时，as=10.76×10-6mm/mm℃

　　270℃时， a's=12.7×10-6mm/mm℃

　　换热管 20G：

　　0℃时， at=10.76×10-6mm/mm℃

　　460℃时， a't=13.64×10-6mm/mm℃

　　换热管和壳体长度均按 L=7500mm 考虑。

　　壳体伸长量： Δs=(a's- as)·L·Δt =(12.7×10-6- 10.76×10-6)×7500×270 =3.93mm

　　换热管伸长量： Δt=(a't- at)·L·Δt′ =(13.64- 10.76)×10-6×7500×460 =9.94mm

　　由以上计算可得出膨胀补偿量 Δ=Δt- Δs=9.94- 3.93=6.01mm.

　　注：a(sat)代表材料膨胀系数 ;Δ(tΔs)代表膨胀量;L代表换热管及外壳长度。

　　3.3 补偿器结构的选择

　　根据上面的计算，原补偿器不能满足该设备的补偿需要，而增大补偿量 Ω 膨胀节体积增大，原设备壳体无法安装，为此我们对原设计的单个波形膨胀节的结构进行了改进，采用原Ω膨胀节结构，改单波膨胀节补偿为双波膨胀节(如图2)补偿，使******补偿量可到 10mm，从而既解决了设备补偿量不足也解决了安装的问题。

　　4 结语

　　通过以上的讨论与分析可以看出，此类换热器从结构来讲与普通换热器没有大的区别，但其关键的问题就在于如何选用合理的补偿器，在目前同类引进装置中对此类换热器中实现Ω膨胀节的国产化还属国内首例 ，从1998年设备的改造采用双波Ω膨胀节后，设备的运行情况良好，上下管板及膨胀节使用至今未出现损坏的现象。