列管式石墨换热器的检漏和检修
摘
要：石墨换热器是磷酸浓缩装置的关键设备；生产中因各种因素影响，会导致换热器损坏。出现故障，如何检查、修理及如何更换管子等，是我们在工作中必须面对的问题。本文将我们处理以上问题的经验进行总结，得出“检漏三法”、“堵漏三法”、“换管两法”。以供大家参考。
关键词：磷酸；浓酸；石墨换热器；修理 1 前言
石墨换热器是磷酸间接传热、真空蒸发浓缩工艺流程装置中的关键设备。磷酸在这里，经低压蒸汽加热后，进入真空蒸发室，经急速蒸发水分后、而达到浓缩目的。由于磷酸的腐蚀性很强，在确定建造材料时，没有很多选择的余地。金属材料，只有高铬高镍不锈钢 Sanicro28 制作的设备，在国外磷酸浓缩装置中有使用的报道。非金属材料最常用的就是石墨，因为它可以满足导热性好又耐腐蚀的基本要求。然而，石墨较脆、强度低、膨胀系数较大。制造的换热器在操作状态下，要承受管内外介质产生的径向和轴向压力（包括换热器不同部位温差引起的拉伸应力）的共同作用。在这些应力的共同作用下，换热器的失效形式有两种：石墨管拉断，石墨管爆破。这两种形式，在列管式石墨换热器损坏中占有较大的比例。从使用的情况来看，国产石墨换热器使用的压型管，主要是管子被拉断；进口换热器使用的浸渍石墨化管，主要是管子被爆破（纵向破裂）。换热器损坏了，如何进行修理，是磷酸制造企业所面临的难题。现在，就我厂在这方取得的经验进行综述。
2 石墨换热器分类
石墨换热器分为块孔式换热器和列管式换热器。块孔式换热器的主要优点是：坚固、强度高，可以使用压力较高的蒸汽，磷酸的流速高，传热速率高，传热系数高；设备温差可以较大，体积小，不易破裂。缺点是：一旦出现泄漏，很难查找出，也不容易修复。
列管式换热器的优点：出现泄漏.，容易查找，管子损坏后容易修复。缺点：管子强度低，使用的蒸汽压力不能超过 0.15MPa；磷酸的流速低，只能控制在 2m/s～3m/s 之间；进出口温度只能控制在 2℃～4℃；体积大。在磷酸生产中，多数厂家都使用列管式换热器。
3 列管式石墨换热器
制造列管式石墨换热器厂家不多，国外比较有影响的公司是德国的西格里公司和法国的卡朋罗兰公司；国内有大连振兴石墨防腐设备厂、沈阳化工机械厂和江苏南通的京通石墨设备公司。磷酸生产过程中使用较多的是进口换热器；我公司分别使用过卡朋罗兰公司和大连振兴石墨防腐设备厂和京通石墨设备有限公司的设备。下面对这种列管换热器的结构性质作一些介绍。
3.1 卡朋罗兰公司换热器
列管采用浸渍石墨化管，管子的直径为Φ50×7。经过第二次高温石墨化的石墨碳化管，管材内部有许多微小空隙；经过真空浸渍处理，空隙被浸渍树脂填满，抗渗透性较好。抗拉强度比压型管高，由于石墨化程度高，所以传热效率较高。但抗弯强度(纵向)、抗压强度强度比压型管稍低。目前国外制造的石墨换热器大多都采用这种管子。 换热器的结构形式为浮头式，上（固定管板）管板和下（滑动管板）管板用400mm厚的浸渍石墨块制作。为了防止磷酸对管板的冲刷，在进酸端管板（滑动管板）上，粘贴一层厚 50mm 厚的高强度的碳纤维板。
3.2 国产石墨换热器
国产的石墨换热器，采用压型石墨管。以热固性树脂（如酚醛树脂，呋喃树脂）和人造石墨粉为原料，按一定的比例混合后投入挤压机中，压制成型后，再经300℃的高温处理而制得。管材的内部结构密实，强度较高，但传热效率低。线膨胀系数比浸渍石墨管大一倍。浸渍石墨管和树脂挤压管石墨管的性能见（表 1）。
换热器的结构形式为浮头式，上下管板用400mm 厚的浸渍石墨板制作，进酸端（滑动管板）的防冲刷层采用厚 6mm 的 316L 不锈钢板制作。但因 316L板与石墨板的粘贴不紧，存在缝隙，在此处产生涡流，对下管板产生严重的破坏。后来取消了此板后。近一年来，修复的管板端面未被冲刷。
4 换热器的修理
当换热器的列管损坏时，如何在现场对换热器进行快速修理，其前提是，怎样快速地对换热器进行检漏。经过几年的操作，我总结出如下三种方法，只要交叉使用，可以快速地提高检漏的速度。
4.1 石墨换热器检漏方法
常规的换热器检漏方法是，对损坏换热的管一根一根地进行试压。这种方法检验最彻底，但速度太慢，每根管子大约耗时5分钟。以一台 400m2石墨换热器，大约有 490 根φ50×7×6000 的管子。全部检查完，大约需要40小时。
由于换热器是在操作过程中突然损坏，所以不可能再用热水对换热器进行清洗。因为多数换热器的外壳大约有 80%的壳体是用碳钢制造。如果进行清洗，酸水会对换热器的外壳产生腐蚀。此时必须用一台高压清洗机，逐根对管子进行机械清洗。清洗每根管子大约用 3 分钟。因为石墨管比较脆，选用的清洗机水量不宜太大，以每小时 4m3/h为宜，清洗的水压力控制在 20 MPa 以下。清洗机还有一个更重要的因素，就是压力必须稳定，目前国内市场有的清洗机，在清洗时，水压波动较大，会造成管子损坏。目前我厂使用的清洗机为宝鸡市新宇泵业有限公司生产的厂品，它的压力比较稳定，调好上管板端面约 50～100mm；快速地打开冷凝液出口管的阀门，将从管程漏到壳程的水快速排完；此时断裂严重的管子，在上管板的水面上会出现旋窝，此时快速地用橡皮塞子塞上此管子的上端口。并关上冷凝液出口的阀门。重复以上动作，就可以把严重断裂的管子找出来。
接下来，排干换热器管程中的水，对检查出来的管子进行临时堵漏。用M18×100 的螺栓套上Φ35.5×8.5 长 60mm的纯橡胶套，组成 1#膨胀螺纹塞，插入泄漏的管子内,上紧螺栓的螺帽。由于橡胶套受到轴向的压力产生变形,就紧紧地塞在管子内。
换热器损坏的过程中，有的管子并没有产生断裂和太多太大的裂纹。而只是有一些小的裂纹，如果不彻底检查出来堵上，投入生产时就会出现泄漏；这些微漏管，采用以下的方法进行检漏。
方法二
用轴流风机从换热器的上端向下吹风,把所有列管内的水珠吹干。此时, 拆去换热器蒸汽进口管上的安全阀,从这里向换热器的壳程内灌入清水，使壳程内的压力达到 0.02MPa～0.1MPa。进入换热器的下端口进行检查，泄漏稍大一点的管子可以看出在滴水，用塞子塞上。泄漏稍小的微小泄漏管子，下管口上有些水珠和出现潮湿。用棉纱擦干,如再出现水珠和潮湿,就用书写用的涂改液做上记号。
此时，99%泄漏的管子都已找出来了。但有的管子下端有水珠或变潮湿,是受其它管子的影响,而它本身并没有泄漏。为了防止把好管子错堵上，我们必须对这次检查出的管、用下面的方法，逐一进行检漏，给予确认。
方法三
在M18×180 的螺栓的中间，钻一个φ6 深 180的内孔,并套上纯橡胶套。，组成 2#膨胀螺纹塞。与橡胶管的接头、压力表加水管连接。用方 1#膨胀螺纹塞子塞在可能泄漏的管子的下端内,并压紧螺帽；管子的上端内用与压力表相连接的 2#塞子塞住，并压紧螺帽（见图1）。此时打开水阀，使水压达到0.2MPa。在确定管子的下端不漏的情况下，保持恒定压力 2 分钟，如果压力不降，则此管不漏；如果压力下降，则表明此管子有泄漏。确认完管子后，此时由于管子内有 0.2MPa的水压，不能马上松塞子的螺帽，以免塞子受压脱离石墨管子而伤人。此时必须打开泄压阀排水，当压力表的压力为零时，才能去松开 2#塞子的螺帽。试压用的水源，最好用能满足压力要求的工艺水管网内的水，它的压力较稳定。
以上三种方法混合使用，可以在 8 小时内，完成换热器的检漏工作；检漏的效率较高。我公司使用这些方法后，大大地提高换热器恢复生产的速度。
4.2 堵漏方法
检查出损坏的管子后，我们都采用堵管的方法，对石墨列管换热器进行处理。设计换热器时，换热面积都放有一定的余量。在平时的损坏中，只要不超过总管数的 10%，都不需要换管子，只需把坏的列管从两端堵死就可以恢复生产。目前采用的堵管，主要有以下三种。
4.2.1 膨胀螺纹塞堵漏法
用橡胶和螺栓，组合成一个 1#号膨胀螺纹塞。例如Φ 36的管子，橡胶套尺寸为Φ35.5×8.5 长60mm，螺栓用M18×100。检查出漏点后，用1#膨胀螺纹塞、从两头堵上，上紧螺帽，因为压紧螺母使橡胶套变形，中部鼓起与管壁紧密结合达到堵漏的目的。堵塞之后，就可以马上开车，可以极大地节约时间。此法的优点是快、省时、省力。但是，只能作为一种临时的处理措施，使用不能超过半年（见图 2）。
4.2.2 螺纹联接堵漏法
用钻工的丝锥，在管子内壁加工出螺纹，然后用带螺纹的石墨塞子涂上胶泥堵上。丝锥最好采用管螺纹丝锥。塞子的材料可用金属或非金属，但因金属与石墨管的膨胀系数不同，最好用石墨材料。因为石墨比较脆，加工塞子时要特别小心。加工塞子用的石墨、碳含量必须高，最好是不透性石墨。这种方法，从思路上说很好，但实施过程有难度，必须有经验的人去操作。施工后，等胶泥固化后就可以投入使用。
4.2.3 石墨双塞堵漏法
在检查出损坏管子的固定管板与滑动管板两端，每端用两个石墨塞子涂上胶泥，进行堵漏（见图 3）。这种方法耗时较长，从完工到能投入使用大约需要12小时，但是，它是一种比较彻底的使用寿命较长的方法。对塞子的要求不高，可以用一般的碳砖加工，甚至含碳 80%的中级碳砖也可以加工。加工的方式比较简单，只要有车床地方就可以加工。从材料的获得和加工方法上都没有问题。施工也简单并不复杂 ， 不需太多的经验 。成功率100%。方法如下：
(1) 从固定端板（上端板），用风扇把需要堵塞的管子内的水分吹干。 (2) 用砂布将管孔的内壁打磨干净，深度等于两个塞子的长度外加 7mm。 (3) 用丙酮清洗管子内壁和塞子，并进行风干。 (4) 塞子与管壁的直径相差 1～1.5mm。
(5) 在孔内壁和第一个塞子上涂上胶泥，并塞入第一个塞子，严格控制好深度。在第一个塞子的后端面涂上一定量胶泥。
(6)第二个塞子上钻一个Φ4mm 的小孔用于排气。在外表面上涂上胶泥后，塞入第二个塞子，使两个塞子间的胶泥从Φ4mm 的孔内挤压出来，如压出的胶泥未填满小孔、则填入胶泥后用Φ3mm 的电焊条头筑实小孔内的胶泥，确保两塞子之间胶泥的厚度为 1～2mm。
(7) 用胶泥填平第二个塞子后 5mm 深的凹坑。 (8) 全部施工好后，用碘钨灯烘烤。时间由所使用的胶泥决定，直到胶泥全部固化，就可投入使用。
我们通常用第一种方法和第三种方法；第一种方法快，第三种方法稳。两种方法交替使用，各得其所。
4.2.4 换管
当换热器堵塞列管的面积、超过总管面积的10%时，换热器的负荷就开始下降；如要稳定产量，就必须提高蒸汽的温度，这种方式有百害无一利。温度高会导致粘接石墨管和制作石墨管的合成树脂分解；降低石墨管的寿命。此时最好的办法是换管子。
当换热器堵塞列管的面积、超过总管面积的10%时，换热器的负荷就开始下降；如要稳定产量，就必须提高蒸汽的温度，这种方式有百害无一利。温度高会导致粘接石墨管和制作石墨管的合成树脂分解；降低石墨管的寿命。此时最好的办法是换管子。
整管更换法
(1) 更换的新管子从上管板到下管板，都是一根完整的管子，更换后，把多余部份切除。其操作方式为：
(2) 用外径等于更换新管内径的风钻和麻花钻，重新校准管板孔的内径，把石墨管内的堵塞物钻出来。用比石墨管外径稍微大的带有中心引导装置的组合钻头，在管板上钻孔，深度稍大于管板的厚度，使损坏的管子与管板完全脱离。
(3) 抽出损坏的管子，并检查是否有碎片留在相邻的管子缝隙内。如有碎片必拿出。
(4) 由于管子外径之间的间距只有 7mm，钻孔时容易损伤周围的管子，所以用 0.07 MPa 的压缩空气，采用检漏方法三，检查周围的管子是否损坏。
(5) 清洗新管与管板联结的部位，自然风干后，涂上胶泥，把管子推到位。胶泥固化后，把多余的管子切除。
(6) 全部管子更换好后，从壳程试压，合格后吊装。
这种方法从外表上看似乎很完善，但在操作过程中成功率上只有 80%左右。即使管子通过了水压试验的检验，使用一段时间后，管口的周围都要出现泄漏，又要进行第二次修理。这种方法最好不用。
4.2.5 组合管更换法
更换的新管子由它分别为主管、接管、套管三部份组成；采用分段组合的方式，有效地解决了管子与管板联结问题。操作方式为：
(1) 用外径等于更换新管内径的风钻和麻花钻，重新校准管板孔的内径，把管内的堵塞物清理出来。
(2) 用比石墨管外径稍微大一点的带中心引导装置的组合钻头，在管板上钻孔，深度稍大于管板的厚度，使损坏管子与管板完全脱离。
(3) 抽出管子，并检查是否有碎片留在相邻的管子缝隙内。如有必须拿出碎片。
(4) 用 0.07 MPa 的压缩空气，检查周围的管子在钻孔时，是否损坏。 (5) 根据两管板的距离和管板的厚度，设计出更换管子的长度，接管的长度、套管的长度，并把他们联结端头加工成带锥度的承插配合。
(6) 把新管子慢慢地一边旋转，一边推进管板内，在滑动管板瑞的管内塞入带橡胶套的长度比管板厚长的膨胀螺栓，并压紧螺帽。以方便安装套管和接管时移动管子（见如图 4）。
(7) 清洗两端管板孔内的油脂和管子、接管、套管配合面的油脂。 (8) 用膨胀螺栓拉出管子，在管子的配合锥面上涂胶泥，把管子推拉到位。用两根扁长刮条分别伸进管板孔内，涂管板的胶泥。再折下膨胀螺栓。
(9) 在两端同时装上接管和套管（进口端为碳素纤维套管）。同时轻轻挤压，让胶泥蠕动。调整管子的位置（见图 5）。将一根两头带螺纹的压紧拉杆从滑动管板瑞穿过管子到达固定管板瑞，并旋紧两端的螺帽。等胶泥固化后拆下拉杆。
(10) 胶泥干燥后，用磨光机清理管板表面。更换后的新管子结构（见图 6）。
(11) 损坏的全部管子更换完后，壳程水压试验，压力为 0.2 MPa。保持压力3小时后，无泄漏，此项工作就大功告成。
这种方法更换的管子，检验合格率为100%； 使用一段时间后，联结处亦不会泄漏。 5 结束语
石墨换热器是浓缩装置中价值最高的设备，生产过程中我们必须严格按操作规程执行，确保安、稳、长、满、优的运行。但生产过程中、不确定的因素很多，我们必须掌握一些解决石墨换热器故障的方法。以上方。法，我们在生产中总结出来，希望以上办法能为各位同仁提供一点应急帮助
