低壓飽和蒸汽冷凝液管道泄漏原因探析

(開封龍宇化工有限公司，河南 開封 475200)

開封龍宇化工有限公司的聚甲醛裝置，設置了3臺由太原鍋爐集團有限公司生產的低壓循環流化床飽和蒸汽鍋爐，正常運行時兩開一備，單臺鍋爐額定蒸發量45t/h，主蒸汽溫度為194 ℃、壓力為1.27 MPa(g)。鍋爐飽和蒸汽通過DN500蒸汽母管送往各生產裝置，飽和蒸汽主要用于精餾塔再沸器、空氣加熱器、粉體螺旋干燥器、管道蒸汽伴熱、生產熱水系統配制、生活采暖系統換熱等。1.2 MPa(g)、0.4 MPa(g)飽和蒸汽換熱后，通過疏水器產生的冷凝液進入閃蒸槽產生0.15 MPa(g)低階飽和蒸汽，閃蒸槽下部的冷凝液進入蒸汽冷凝液儲槽后通過泵送往焚燒站余熱鍋爐、鍋爐除氧器、換熱器等進行回收再利用。

經常泄漏的飽和蒸汽冷凝液管道壓力為1.2 MPa(g)，采用材質為20#鋼、管徑DN40、長度50m，位置位于單體、聚合兩個界區之間的上層管廊上，該段管道含彎頭15個，漏點主要分布在進入閃蒸槽前的管道彎頭及其焊縫連接處，直管段很少出現此情況。雖然經過多次焊接及帶壓堵漏處理，但一段時間以后仍然會出現泄漏的情況。由于該泄漏點位于裝置進出口處，冷凝液溫度較高，一旦泄漏可能造成現場人員被高溫燙傷，存在較大安全隱患，必須對引起管道泄漏的原因進行深入分析，拿出具體可行的措施，徹底解決該問題以消除安全生產隱患，減少蒸汽冷凝液損失。

1 泄漏原因分析

通過對該段冷凝液管道進行分析發現，管道彎頭數量較多(達15個)，泄漏部位多位于管道的彎頭等形狀突變處或管道管件焊縫上，均為小的穿孔。在幾何形狀變化較大的部位存在較大的殘余應力，使得其更易受機械(如水的湍流及因壓力、溫度變化引起的空泡)或化學物質(如O2、CO2等)的作用而破壞，從而導致該部位更容易被腐蝕。另外，蒸汽管線疏水器效果不好導致冷凝液管線中存在氣液并存的兩相流狀態，水、汽隨著管內壓力、溫度的波動而相互轉化，對管道的沖刷也更加劇烈。蒸汽冷凝水在流動過程中，因壓降而產生二次蒸汽，形成汽液混相流，當流速增加或改變流向時會引起水擊，導致管道發生振動甚至破裂。

1.1 氣蝕

在流動過程中，隨著阻力增加，飽和狀態冷凝液壓力下降，出現較多的閃蒸汽，產生水錘現象，特別是管道彎頭部位，由于流體受到擾動，金屬管道內表面受到液滴的沖擊，形成蝕坑，嚴重時造成管道破壞。

1.2 沖蝕

管道彎頭處流體流速會發生變化，產生湍流現象，引起管道振動較大，再加上長時間地沖刷腐蝕，導致作為薄弱環節的彎頭處首先變薄，出現穿孔情況，產生蒸汽泄漏。

1.3 缺陷

泄漏點大多發生在彎頭部位，彎頭泄漏點本身有焊接缺陷，存在局部應力不均的情況，因腐蝕迭加、應力集中所致。

1.4 故障

由于疏水器故障，會出現蒸汽帶入冷凝液的情況，周興東[1]等人的研究表明，蒸汽分子的冷凝必須克服擴散傳質阻力，進入冷凝液管道的蒸汽冷凝下來需要克服一定阻力及此過程中產生的擾動，會以水擊的形式顯現出來，管道彎頭、U形彎曲等管道流向改變處受到的沖擊力最大、最明顯。

2 對策

2.1 對現有管道布置進行重新設計

在管線設計中，除必要的應力彎曲外，還應注意盡量減少U形彎和彎頭數量，改造后的管道整體平移。彎頭數量由15個減少到8個，極大降低了管道內流體流動擾動狀態的變化，穩定了流速，減少冷凝液對管道的沖擊。同時，在安裝管道時要順著流通的方向留有一定坡度，減少輸送距離，管道內水的積存能及時疏導出去。

2.2 更換損壞的疏水閥

張曉晨[2]的研究表明，對于有一定流速的蒸汽冷凝過程，蒸汽在液滴-蒸汽界面處產生的界面切應力是驅動液滴內部流動的主要作用力，液滴受到蒸汽流動的剪切作用，內部存在明顯的漩渦流動，并隨著蒸汽流速的增加，漩渦流動的強度呈現正比例增加的趨勢。

因此，更換和修復漏汽的疏水閥，保證蒸汽疏水閥好用，避免汽水同走；消除疏水閥由于背壓過高或有異物導致的疏水不暢；做好管道的保溫，防止汽水同走蒸汽冷凝液管線導致的水擊現象；同時，在安裝管道時要順著流體流動的方向留有一定的坡度，盡量避免管道內水的積存，及時疏導冷凝下來的液體。

2.3 增大冷凝液管道管徑

蒸汽冷凝液管道、彎頭公稱直徑由DN40增大至DN50，冷凝液流速可降低60%，冷凝液壓力降減少，因流道走向發生變化而造成的沖擊力減弱。

2.4 增加冷凝液管道壁厚

提高管道、管件壁厚，由4.00 mm提高至5.0 mm，材料材質使用優質碳素結構鋼20#鋼替代Q235，提高了管道材質的力學性能。在腐蝕裕量不變的情況下，能夠提高管道的使用年限。

2.5 優化操作方式

開停車操作過程中，送汽和暖管時要緩慢，動作不要過大；蒸汽及冷凝液管線投用前先從導淋進行排氣、排水；保證冷凝液管線的壓力在飽和溫度以上，防止水擊現象的發生；穩定冷凝液閃蒸槽壓力，預防冷凝水總管壓力過高或水流不暢；調整冷凝液管線進閃蒸槽閥門開度，盡量讓冷凝液管線充滿液體；最高點設有1個排氣裝置，開車時排除積存在管道內的空氣或其他氣體，以防止氣阻造成運行失常。

另外，在2個裝置界區處增加截止閥，便于在不同區域泄漏時進行隔離檢修，避免了停車檢修的風險，提高了生產裝置連續運行能力。

2.6 提高焊接質量

鋼材在高溫下受外力作用時，隨著時間的延長，緩慢而連續地產生變形；如果長期冷熱交替工作，在溫差變化引起的熱應力作用下，材料內部會產生微小裂紋并不斷擴展，最后導致破裂。其中，焊縫又是管道中的薄弱環節，更容易因焊接缺陷，外加受到溫度、應力的作用遭到破壞。

因此，蒸汽冷凝液管道焊接時，應提高焊接人員操作水平，優化焊接工藝，做好焊接坡口處理，從而提升焊縫質量，消除焊縫因自身缺陷造成的穿孔泄漏。另外，管道防腐保溫前進行除銹，管道支吊架按照國家、行業有關管道施工驗收規范進行安裝。

3 改造效果

低壓飽和蒸汽冷凝液管道更換后，經過近2年的運行，未出現過管道、管件、焊縫等泄漏的情況，也未出現過水擊的情況，使用效果良好，達到了改造的預期目的。改造前，蒸汽冷凝液管線泄漏點較多，現場操作環境較差，進出裝置區存在一定安全隱患，開封龍宇公司每年用于帶壓堵漏的費用在2.1萬元左右，占用大量人力、物力、財力；改造后投入成本僅在3 000元左右，降低了維修費用，同時減少了因管道泄漏造成的蒸汽損失，改善了現場操作環境，消除了安全隱患，保證了生產人員的安全。

4 結語

飽和蒸汽冷凝液管線改造要從設計時考慮好管道布置，在滿足生產工藝要求、熱應力膨脹要求的前提下，按照經濟適用的原則進行材料選擇。管道布置走向在追求美觀、一致的同時，也要盡量減少彎頭和U形彎曲，縮短管線流程，降低管道阻力，必要時彎頭和U形彎曲處可適當增加材質厚度。最后，要做好管道保溫防腐和固定，優化蒸汽冷凝液系統參數調整，保證疏水系統正常運行；通過優化開停車操作順序、強化操作、維護管理，消除了蒸汽冷凝液管線泄漏現象，實現了冷凝液管線長期、穩定運行。

[1]周興東，馬學虎，等.冷凝液運動行為強化含有不凝氣的蒸汽冷凝過程研究[J].高?；瘜W工程學報，2007，21(5):740-746.

[2]馬曉晨.蒸汽流動作用下冷凝液滴內部流動及傳熱特性[D].北京：清華大學，2013.