然而，在系统运行期间，由于PU型催化剂的粉化以及工艺环境的变化等多种因素，导致该设施相继发生了管壳式换热器腐蚀失效、循环水泄漏工艺气体以及垫片密封失效等事故。通过对管壳式换热器典型故障进行深入分析，并采取了针对性的改进措施，成功解决了其腐蚀和泄漏问题。

管壳式换热器主要由以下部件构成：筒体、封头、管束、管板、折流板、接管、法兰以及膨胀节等。依据其结构设计特点，管壳式换热器可以分为多种类型，包括固定管板式换热器、浮头式换热器、U型管式换热器、双重管式换热器、填料函式换热器和双管板换热器等。其中，前三种换热器因其在制造便捷性、安装灵活性、成本控制、以及清洗维护等方面的综合优势，性价比突出，因此在化工行业中得到了广泛应用。

在本系统中，间壁式换热器的总数为28台，它们的主要功能是进行显热交换。具体来说，这28台换热器中有24台是管壳式换热器，另外4台则是板式换热器。PSA装置的工艺介质包含了多种组分，如氢气（H2）、一氧化碳（CO）、二氧化碳（CO2）、氮气（N2）、氩气（Ar）、甲烷（CH4）、甲醇（CH3OH）、二甲醚、饱和蒸汽、循环水以及氯化铜等。

在发生典型故障的管壳式换热器中，涉及到了固定管板式、U型管式和浮头式这三种类型。

1 管壳式换热器的故障、原因分析及处置措施

1.1 原因分析

E105换热管规格为φ25.000mm×2.500mm，采用20#钢作为制造材料。在使用过程中，由于介质的冲刷作用，换热管表面会出现磨损现象，进而导致管壁因锈蚀而逐渐减薄并发生腐蚀。一旦这种腐蚀导致管壁无法承受工艺工况的要求，换热管就会发生泄漏。

金属材料具有随温度变化而体积发生膨胀或收缩的特性，这被称为热膨胀性。具体而言，当金属受热时，其体积会膨胀；而当金属冷却时，其体积则会收缩。值得注意的是，金属的体积膨胀系数大约是线性膨胀系数的3倍。

由于换热器的管板与换热管之间是通过刚性焊接连接的，同时上下封头也对换热管的受热膨胀伸长量产生了一定的限制，因此在使用过程中，换热管需要承受较大的温差应力和压力载荷。当换热管管板的温度载荷较高时，其径向变形也会相应增大；反之，当温度载荷较低时，径向变形则会减小。此外，管板的厚度也会影响其抵抗变形的刚度，厚度越大，刚度越大，对壳体在高温载荷作用下的径向膨胀产生的约束也就越大。

在E105换热器中，筒体采用Q345R材质制造，列管则采用20#钢。在实际操作过程中，壳程蒸汽的温度为280℃，而管程氮气的温度为90℃，两者之间的温差达到了190K。当换热管受热膨胀伸长量超过设计值时，就会在管板角焊缝等处形成局部应力集中，进而引发裂纹和砂眼的出现，导致管板泄漏，使得管壳程介质发生互窜。

1.2 处置措施

为了处理泄漏问题，我们首先关闭了氮气的进出口阀门并安装了盲板，同时也关闭了蒸汽管道的进出口阀门。接着，我们打开了E105的上、下封头，并缓慢地开启了E105壳程的蒸汽入口阀。在装置切段期间，我们采用了着色探伤检测方法来定位泄漏点，并对这些点进行了补焊处理（见图1）。这一临时措施成功地解决了当时的泄漏问题。

然而，当E105按原工况条件重新投入使用仅仅15天后，管板焊缝再次发生了泄漏[1-2]。在尝试通过优化管程氮气和壳程蒸汽的温度来减小温差（目标温差小于120K）以满足工艺操作条件时，我们发现这一方案最终无法实现。

经过深入分析，我们确定了设备泄漏的主要原因是结构设计不合理。具体来说，由于管程与壳程之间的温差高达190K，管板角焊缝部位所承受的温差拉应力已经超过了固定管板式换热器所允许的温差范围。因此，在正常工况下，固定管板式换热器无法满足使用要求。

为了解决这个问题，我们在保持接管和支座的规格尺寸、方位、标高、总体结构尺寸、换热面积以及主体材质不变的前提下，将固定管板式换热器更换为了U型管式换热器。U型换热管在筒体内受热时会发生膨胀，根据线胀系数公式进行计算，当温差为120K时，换热管的尺寸从原来的5.000m变为了U型管的10.400m，其膨胀后的极限长度伸长量为14.676mm。而在已知管程与壳程温差为190K的工况下，换热管膨胀后的长度极限伸长量为11.172mm。这表明U型换热管完全能够满足实际工况的要求，且温差应力在工艺所允许的范围内。

图 1 管板与换热管焊缝泄漏点进行补焊

2 总结

在变压吸附装置的实际运行过程中，管壳式换热器出现了泄漏和腐蚀等故障。为了找出这些故障的具体原因，我们进行了详细的分析，并提出了多项改进措施，包括优化材料选型、加强工艺指标的监控以及改进密封垫的设计等。这些措施旨在有效解决管壳式换热器所面临的问题，并已经取得了显著的效果。 

江苏航烨在化工能源非标定制设备领域，依托科研院所研发力量，为合成气分离等工艺提供管壳式换热器等关键设备，并通过技术改进解决设备故障，提升了装置的安全性能，为相关工业示范项目的稳定运行作出了贡献。