宝鸡钛合金材料厂家谈钛换热器的故障处理方法及防范措施

环氧丙烷装置氯醇液换热器的工艺流程如下：

钛塔出来得氯丙醇液（大量的水、3％~3.8% 的氯丙醇、1.5%~1.75盐酸）从60℃预热到72℃左右。根据设计选用了固定管板式钛换热器，钛材的最大优点是耐蚀性能好，它的耐蚀性远远超过不锈钢。钛在自然条件下或含氧气氛中，其表面会形成一层致密的氧化膜，该膜能抵抗比如钛与湿氯、氯化物等多种化学介质，氧化性、中性介质，有机化合物和碱溶液的腐蚀。换热管可以比较薄，提高传热效果，设备体积和重量小。

1、材料选用

（1）管程走腐蚀性介质的流程比较经济。在这种情况下钛换热管采用钛管－管箱采用钛复合钢板或钛衬里、管板可采用钛复合钢板或在钢管板上衬6~10mm的钛板，在结构设计应考虑壳体和管子之间的膨胀差问题。

（2）复合管板结构管板是钛复合钢板应用的一个重要方面。由于管板操作条件苛刻，希望贴合率尽可能高。在这里顺便介绍一下复合管板爆炸复合加工工艺，爆炸焊原理是在起爆过程中两金属产生高速倾斜碰撞，在碰撞点前形成足够大的高压区。这个高压区的压力超过－临界压力（大于材料屈服强度10倍左右）同时，两金属碰撞时，碰撞角必须超过某一临界角度并把碰撞点的速度控制在亚音速范围内，以产生喷射流破除和清洁金属内表面脏物，露出洁净金属在高压作用下二金属冶金结合在一起在高压作用下二金属冶金结合在一起。

（3）管子与管板连接形式

①胀接：胀接是靠管子的变形来达到密封合固紧的一种机械连接法。这种连接法受温度限制比受压力限制大。随着温度升高，管与管板刚性下降，热膨胀应力增大，引起接头松动。

这一点，对钛换热器更为突出，因为钛的力学性能随温度变化较一般碳素钢、低合金钢哥更大。另一方面，工业纯钛在常温下有低温蠕变现象，在可能产生缝隙腐蚀的环境不宜采用。

②焊接：高温度、压力较高时，焊比胀更能保证密封性，在高温下，蠕变使胀接残余应力松弛，易造成泄漏，但焊接不能完全避免缝隙腐蚀。

③胀接加密封焊：这种连接适用复合管板，管子所承受载荷由胀接承担，密封焊只起加强密封作用，在可能产生缝隙腐蚀的环境中，应采用这种连接方法。

根据上述优点：由于壳程走热水，我装置钛换热器采用是钛管－管箱采用钛复合钢板，钛列管与复合管板采用胀接加密封焊形式。

2、以往发生的故障及处理方法

2.1 首次故障背景

在这台换热器投用的第一年就发生管程泄漏，经检查发现复合管板的钛复合层有缺陷，造成管程泄漏。

检修方案如下：更换二端复合管板，保留钛列管。二端复合管板割除，相应的钛列管、碳钢壳体根据管板厚度缩短150~200mm，尽量控制在160mm内，复合管板重新制作，列管与管板采用胀接加密封焊，壳体内的折流板、定距管、拉杆等重新制作，壳体保留。

2.2 二次故障背景

在使用二年后因密封面泄漏造成复合层分离。腐蚀原因：

因为钛换热器的管箱密封面的渗漏，带有腐蚀性介质的盐酸自密封面处渗出，慢慢地渗入到钛与钢的结合部位，长时间的腐蚀作用，使钛与钢的结合处产生腐蚀分离现象。如图a所示：

检修方案如下：上述腐蚀长度约200mm，宽约20mm，深约30mm，共有四处这样的腐蚀区域。设备左右复合管板复层与基层间的腐蚀区，采用各镶一同形状的复合板（钛－钢），然后复层钛与钛之间倒坡口焊接，基层钢与钢之间倒坡口焊接。（维修前腐蚀区要加工成较规则形状）。鉴于两管箱钛焊环密封面有腐蚀和脆化现象，该密封面钛材已有缝隙腐蚀和吸氢现象，已无维修补焊的可能，更换材质为TA10，该材质耐缝隙腐蚀性能较好。如上图b所示。

2.3 本次故障背景

再使用了四年后，再次发生因密封面泄漏造成复合层分离，现象与第二次相同，复合板边沿钛与钢的结合处产生腐蚀分离现象，两管箱钛焊环密封面有腐蚀和脆化现象，因生产检

修情况紧急，所以采用酚醛树脂涂在密封面和垫片之间，在酚醛树脂流动状态下上紧管箱的法兰螺栓，待酚醛树脂固化后投入生产使用，这是临时措施。

为使在短时间内对该换热器进行整修，为此事业部设备动力部与设计制造单位协商在短时期内完成较彻底的检修，第一次的方案因复合管板的加工周期较长，以及费用较贵（原因是钛材近期涨幅过大），无法确保生产应急；第二次的方案采用各镶一同形状的复合板（钛－钢），然后复层钛与钛之间倒坡口焊接，基层钢与钢之间倒坡口焊接。由于此台换热器此次复合板泄漏点就靠近上次返修镶复合板部位，而且上次腐蚀长度约200mm，宽约20mm，深约30mm，共有四处这样的腐蚀区域，此方案成功的可能性已无。

3、此次检修的方案及对故障原因分析及措施

由于反复出现因密封面泄漏造成复合层因腐蚀分离，通过对现场目前的工艺条件与初步设计的工艺条件进行比较，发现由于装置进行改扩建，工艺配套的输送泵的扬程发生变动，变动情况如下：

因此对该换热器的法兰强度进行重新校核，发现密封面泄漏造成的实际因素。下列是校核过程：

除管箱法兰校核不合格外，由于聚四氟乙烯垫片压不紧形成缝隙，易产生缝隙腐蚀，产生原因分析：用聚四氟乙烯垫垫片又过宽，都碰在管板凸面上，同时发现，管板泄漏较重的密封面垫片上的压痕深浅明显不同，说明连接法兰时紧固螺栓用力不均，造成密封垫片上受力大小不同，使垫片与管板之间的狭缝间隙的几何尺寸处在产生较大腐蚀速度的敏感区域，一部分物料渗入并维持静滞状态，与钛的钝化膜发生化学反应，使钝化膜破裂，在缝隙中，由于氧化膜被破坏，渗入的液体又阻碍氧（或氧化剂）进入，这样由于缝内外氧浓差造成宏观电池，生成TiH2；此外，由于物料中含有Cl-离子，从缝外向缝内扩散造成浓缩，并与水解反应形成的氢离子生成盐酸，加速钛的腐蚀，这样不断循环，缝内金属钛不断溶解，产生较严重的缝隙腐蚀。

泄漏的介质中含有盐酸，与复合面上的基层材料发生反应，随着时间的推移，腐蚀长度、深度不断扩大，就这样形成了腐蚀带。所以需采用坚固的法兰和较大的螺栓来加强法兰密封，另外采用抗缝隙腐蚀较好的钛钯合金来做密封面材料，钛钯合金具有三个优点：对稀盐酸和稀硫酸的耐蚀性比纯钛高，这种合金改善了工业纯钛在还原性介质中的耐蚀性能，如它在室温的10%硫酸、10%的盐酸以及中等浓度的甲酸和柠檬酸中均具有较好的耐蚀性能，而且它保持了纯钛的耐硝酸、铬酸等氧化性介质的耐蚀性能；具有较好的耐缝隙腐蚀能力；吸氢能力小，不宜产生氢脆，表面生成的氧化膜具有较高的抗氢渗透能力。

Ti-0.3Mo-0.8Ni 合金的加工性能、焊接性能接近纯钛，而在200-300℃下强度较纯钛高1.5-2倍。

为此我们提出一个较为合理又简便实用的检修方案：如图c所示：

如图，增加一筒节，筒节内有两块（TA2）8mm隔板，筒节材料可以用复合板或纯TA2，筒节一端和壳程复合管板密封面连接处焊死，由于钛复合面由原来单纯受压状态，经过与短节焊接后成受拉伸状况，所以对焊接面的法兰螺栓要全部带紧，增加对钛复合面的预紧力，防止钛复合面剥离。如图(d)所示：另一端与管箱活套法兰连接，法兰厚度从原设计60mm增加到70mm.，焊环采用钛钯密封环。对原管箱的焊环更换成钛钯材料，活套法兰增厚为70mm。

4 、结论

经过上述的抢修，对设备壳程和管程进行水压试验，压力为实际操作最大压力的1.25倍，分别为0.75Mpa 和1Mpa，经试验合格后即投入生产运行，目前运行正常。证明本次检修方案的合理性经得起考验。

参考文献：

【1】曾亮，周春玉，张东，相变材料导热性能强化的研究发展，材料科学与工程，上海，2010.

【2】王志魁，《化工原理》，化学工业出版社.

【3】钱颂文，换热器设计手册，2007.

【4】张平亮，新型换热器及其技术发展，炼油技术与工程，2007. 【5】廖传华，史勇春传热过程与设备{M},北京：中国石化出版社，2008.

【6】史美中，王中铮.热交换器原理与设计{M}，南京：东南大学出版社.

作者简介：郭洋洋，男，（1984-），中国石化上海高桥石油化工有限公司，从事设备材料运行管理及采购的质量控制工作。

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