油气田生产中换热器设备选型的工艺分析与优化研究

随着国内科学技术的进步，各种不同型式和种类的换热器款式越来越多，国家也对压力容器的管控更加严格，对各种类的换热器建立了新标准。

其中浮头式换热器目前在油田生产中各种换热器中仍占主导地位。其优点在于：（1）管束可以抽出，方便清洗检查有无泄漏与堵塞以及腐蚀程度。（2）介质间温差与压力分析 ;（3） 现场应用证明可在高温、高压下工作，根据情况，一般温度大于等于 150 度以上，设计压力不小于 6MPa 以内。缺点在于：（1） 小浮头容易发生内漏只有采取封堵而且换热介质一但泄漏相混合会造成大的安全事故。（2） 特别对金属材质要求较高，成本增加。建议安装前对选取换热设备的制造材料及牌号厂家，进行材料的化学成分检验，必须通过三倍试压检验，机械性能合格后，才能现场安装使用，并且在制造过程中和制造完成后都要随时进行检查。

生产过程中，判断故障原因主要有以下几点：1）由于浮头式换热器的管束受流动介质冲刷、腐蚀造成堵塞、特别是管束因质量问题不达标造成管束穿孔窜液的情况，首先判断介质温度难以控制，必须对换热介质进行化验分析检查，其次对产品质量进行详细检查是否有窜漏现象，建议在选型上对换热面积较大且流速较快的外输气体或液体最好选用板翅式换热器，2）特别是在油气田天然气处理厂脱 H2S 气体、从天然气中分离出 LPG、LNG、乙烷、稳定轻烃液体、氦气等有用物质，对换热器的选型与质量要求更加严格，3）我们在安装换热器时以后期检修中，也可以涂抹福世蓝高分子复合材料来保护裸露的金属 ; 即使使用后出现了渗漏现象，也可以通过福世蓝技术及时修复，避免了长时间的堆焊维修影响生产。

换热器就是介质中间在一定空间内相互传递热量与冷量，达到换热的目的，但对于不同介质的换热效果以及要求技术概况特别严格，但是也必须定期检查清洗，以达到最佳换热效果。建议能用板式换热器最好不用浮头式换热器，在生产现场中，浮头式换热器主要用于小流量而流速相对较慢的流体。板翅式换热器各种板片之间形成规矩形通道，通过板片进行热量交换。板式换热器是液—液、气 - 气、液—汽进行热交换的理想设备。但有循环水、导热油的介质最好不采用板式换热器，因为以粘稠、结垢现象严重，板式换热器它具有换热效率高、热损失小、结构紧凑轻巧、占地面积小、使用寿命长等特点。板式换热器广泛应用于冶金、石油、化工、医药供热等部门，可用于加热、冷却、蒸发、冷凝、杀菌、太阳能余热回收等各种情况。板式换热器各种板片之间通过固定金属板形成隔片，四周通过密封面阻止流体窜漏，通过板片与隔板通道进行热量交换。结构简单，在生产中容易发现故障能及时解决，板式换热器是油田化工生产中换热面积较大进行热交换的理想设备。缺点是这种板翅式换热器在现场运行中容易堵塞、比如鸟虫、蚊虫等，还有位置安装不精确，严重影响后期在生产运行中的换热效果，金属翅片容易变形、腐蚀等现象。

此外还有 U 型管式换热器，其有多根金属管与管板固定，焊点较多，相对管束密集，设计上存在缺陷，换热空间较小，影响换热效果，适用于流体较小场所，出现故障初期不容易发现。一块管板与管子在一定限度内具有活动空间，中间通过隔板固定，避免在热交换时受热胀冷缩产生应力而损坏。对于极端工况选型指南，基于模糊逻辑推理系统（FLS），提出差异化选型规则库：1）.高温高压场景（P>7MPa， T>350^∘C ）：优先选用 U 型管式 ， 选用全不锈钢且耐腐蚀材质 .2）. 含硫介质场景 （H₂S 分压 >0.05MPa） ）：采用双相不锈钢 + 缓蚀剂注入.3）. 高粘度流体（ μ>50cP ）：管式换热器结构简单，价格便宜，承压能力强，焊点较多、适用于管、壳壁温差较大或壳程介质易积垢需要清洗，又不适宜采用浮头式和固定板式的场合。特别适用于管内走清洁而不易积垢的高温、高压、腐蚀性较小的物料，具体情况可根据技术要求界定。

川中三台轻烃脱乙烷塔重沸器设计使用初期采用浮头式换热器，设计于2015 年 8 月投入使用，在短短 6 年内设备出现焊口断裂、焊缝泄漏等 6 次，焊缝泄漏情况如图所示，故障统计表：2022 年 10 月，将重沸器更换为 U 型管式换热器后，设备使用至今没有出现任何故障，极大的缩减了设备的维护成本，提高了装置的生产效率。2022 年 10 月，将重沸器更换为 U 型管式换热器后，设备使用至今没有出现任何故障，极大的缩减了设备的维护成本，确保了安全风险，提高了装置的生产效率。三台轻烃装置浮头式换热器管板焊缝泄漏原因分析，现场应用发现这种换热器的换热管与管板连接的方法有强度膨胀节，强度胀节主要适用于操作中无剧烈震动、无过大温度波动，无明细腐蚀而产生应力的场合。强度焊无较大震动，没有较大腐蚀及管子与薄管板连接的场合。而在这种天然气液烃介质进行换热时，密封性能要求很高，承受震动或疲劳载荷、在高温下具有一定腐蚀的介质，在操作中管子与管板连接处承受高温、反复受到热冲击，很容易产生热变形及应力腐蚀。

三台轻烃装置脱丙烷烷塔重沸器壳程与管程介质温度高达 150℃左右（管程介质为蒸汽，温度为 180^∘C 左右，壳程介质为液烃，温度为 30^∘C 左右），在管子与管板连接处极易产生较大温差导致热应力，且由于所在地区电力不稳定，装置经常突然停电而停产情况，脱乙烷塔重沸器突然受到热冲击，管子与管板连接处的密封性产生故障，所以管子与管板的连接方式选用不当有可能是导致脱乙烷塔重沸器管板焊缝经常出现泄漏的原因，当改用 U 型管式换热器后，即不存在管子与管板连接处泄漏隐患，减少中间焊接点较少，实现无缝连接，同时 U 型管式换热器也消除了壳程与管程之间温差热应力的影响。优点：承压能力达 9.8MPa ，适用超临界工况，焊接节点减少 40% ，疲劳寿命延长至20 年以上;缺陷：清洗盲区达 20%-30%U 型弯头处易形成速度死区

结论与展望

1）. 提出基于熵权的多目标决策模型，为复杂工况选型提供量化工具.2）. 揭示U 型管式换热器在高温高压下的可靠性优势，建议作为首选方案.3）. 开发智能监测与新材料应用技术，推动换热设备智能化发展 . 未来方向：1）. 人工智能驱动的实时优化算法.2）. 陶瓷基复合材料的工业化应用.

参考文献：

[1] 郑津洋. 过程设备设计. 化学工业出版社2010 版.

[2] 30×104m/d 秋林轻烃回收装置操作规程.

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[4] 10×104 遂宁轻烃装置操作规程

[5] 石油与天然气化工 2022 年 6 期

[6] 张明远 . 新型高效换热器设计与应用 [M]. 北京 ： 化学工业出版社 ，