Седельников А.В.,
АО «НОРДВЕГ», Санкт-Петербург
CTI INDUSTRIES, INC

Введение

Обычно большинство сбоев и повреждений в трубах теплообменников, используемых на промышленных предприятиях, происходит на первом 150 мм участке трубного пучка. Разрушение проявляется как утончение трубы, образование канавок, точечная коррозия и образование трещин, что, в конечном итоге, может привести к утечке и сбою в работе трубного пучка.

В прошлом эту весьма локализованную проблему было принято решать путем полной замены труб, даже несмотря на то, что более 95% длины трубного пучка оставалось неповрежденными. В некоторых случаях пучок могли спасти, укоротив теплообменник, при условии сокращения теплопередающей поверхности. Однако любое из этих радикальных решений является дорогостоящим и требующим слишком много времени.

Чтобы справиться с этими недостатками в середине 1970-х годов была разработана новая восстановительная технология. В ней используются развальцованные металлические дублеры трубок, также называемые Щитами. Этот универсальный способ восстановления «по месту» (in-situ) был успешно расширен до установки вставок (дублеров) на всю длину поврежденных труб для случаев, когда разрушение труб происходит по всей их длине.

Характеристики и возможности трубных вставок описаны ниже.

Обычные механизмы разрушения труб теплообменников

1. Эрозия конца впускной трубы распространена в охладителях из сплавов углеродистой стали и меди, в технологических теплообменниках и трубках конденсаторов, и вызвана кинетической силой жидкости (или газа), особенно если она содержит механические абразивные примеси.

На входах в теплообменные трубы изменения направления потока среды и образующиеся пузырьки воздуха создают сильную турбулентность, приводя к повреждению защитных пассивных пленок на внутренних диаметрах трубок. После 150 мм глубины трубок турбулентный поток меняется на ламинарный, и агрессивное воздействие среды резко уменьшается. Другие факторы, способствующие сильной турбулентности, – неправильная форма распределительной камеры (канала) и подающей трубы.

Если в среде содержатся коррозионные составляющие, негативных последствий для теплообменных трубок может быть значительно больше. Это так называемое явление эрозия-коррозия, представляющее собой синергическое явление, где совместный эффект от эрозии и химического воздействия среды значительно выше, чем их воздействие по отдельности. Причиной явления эрозии-коррозии чаще всего являются коррозионно-активные технологические жидкости, однако оно также может возникать при работе с водной средой, например, когда теплообменные трубки подвергают воздействию охлаждающей воды с примесью сульфидов и/или аммиака.

2. Коррозионное растрескивание под напряжением (КРН) представляет собой другой распространенный вид разрушения трубок теплообменников. Его причиной является совместное действие напряжения при растяжении и коррозии. КРН часто происходит на участке развальцовки труб непосредственно за трубной решеткой, особенно при чрезмерной развальцовке. Наиболее встречающиеся формы – это аммиачное коррозионное растрескивание сплавов на основе меди, хлоридное КРН аустенитной нержавеющей стали и щелочное КРН (щелочное растрескивание) углеродистой и легированной стали.

3. Другие виды коррозии, которые встречаются в концах трубок и соединениях труба-трубная решетка, - точечное воздействие и щелевая коррозия. Щелевая коррозия – это опасная форма глубокого локального проникновения, которая наиболее часто встречается в аустенитной (Cr-Ni) нержавеющей стали, подверженной воздействию хлоридов.

Как КРН, так и щелевая коррозия значительно усиливаются при повышении температур.

Также причиной разрушения на участках впускной трубной решетки и концов теплообменных трубок могут быть механические факторы (например, неправильное развальцовывание трубы) и плохо выполненные сварные швы между трубой и трубной решеткой.

Тонкостенные металлические вставки для ремонта концов трубок (Щиты)

Металлические тонкостенные вставки (Щиты) были впервые применены в 1976 году. При этом способе восстановления происходит защита, восстановление и герметизация поврежденных концов труб. Щиты изготовлены по специальным размерам и сохраняют пластичность, необходимую для развальцовки.

Как и в случае с установкой труб в теплообменнике, важно выбрать нужный сплав для изготовления Щитов. Материал выбрается из ряда различных сплавов в зависимости от материала трубы, функций теплообменника и механизма разрушения. Материалы для вставок варьируются от медных сплавов (Cu-Ni и латунь), обычная нержавеющая сталь (аустенитная, ферритная, мартенситная, двухфазная), сверхаустенитные нержавеющие стали (6 молибденовых сплавов) и сплавы на основе никеля (например, Сплав 400, Сплав С-276). Это дает возможность выбрать сплав для борьбы со специфическими механизмами разрушений, например, хлоридной точечной коррозией, коррозионным растрескиванием под напряжением, аммиачным образованием канавок и т.д.

Процесс установки выполняют «по месту», начиная с чистки внутреннего диаметра трубы проволочной щеткой, чтобы создать возможность для герметичного уплотнения. После продувки труб сжатым воздухом измеряют внутренний диаметр для определения требований к развальцовке. Затем щиты вставляют в каждый конец трубы. Внешний конец щита развальцовывают с ограничением крутящего момента, используя обычный инструмент для развальцовки труб, в то время как внутренний участок щита развальцовывается с использованием механического ограничителя, и, таким образом, уменьшается вероятность чрезмерного развальцовывания. Последним шагом является развальцовка конца щита таким образом, чтобы они соответствовали профилю трубной решетки.

Щиты устанавливались и в установки высокого давления (300 кгс/см.кв.), и в условиях высокой температуры (300 ˚ С). В некоторых случаях, хотя, не всегда, щиты могли соединять полностью разъединенные трубы. Восстановление труб посредством развальцованных металлических щитов представляет собой экономически целесообразный способ ремонта.

Благодаря тонкостенной конструкции и возможности гидравлического расширения щитов проходные сечения теплообменных трубок уменьшаются незначительно.

Трубные вставки (дублеры) в полную длину

Благодаря успешному применению Щитов для устранения разрушений конца трубок была разработана аналогичная технология ремонта, позволяющая восстанавливать трубы с разрушениями по всей длине. Такой ремонт предполагает установку вставки (Лайнера), равной длине всей трубы, и ее последующее гидравлическое расширение для обеспечения контакта «метал-метал».

Вследствие точечной коррозии внутреннего диаметра, образования канавок на внешнем диаметре, утонения толщины стенки по всей длине теплообменных трубок и повреждениям в результате ударной коррозии в трубном пучке появляются утечки. Как правило, на поврежденные трубы устанавливаются заглушки, тем самым устраняются утечки. При этом теплообменные трубки выводятся из эксплуатации.

По мере износа теплообменника с течением времени и увеличением количества труб с установленными заглушками начинает снижаться эффективность установки и увеличивается расход жидкости в оставшихся трубах. Если заглушено более 10% труб, теплообменный аппарат автоматически претендует на полную замену трубного пучка.

В подобных случаях привлекательной альтернативой становится установка вставок на всю длину трубок. Благодаря регулярному восстановлению заглушенных труб можно обеспечить дополнительный срок эксплуатации в течение многих лет.

Процесс установки трубных вставок (Лайнеров) начинается с удаления заглушек и подготовки трубок путем тщательной очистки. Методы очистки предполагают использование гидравлической и гидромеханической очисток, различных щеток и скребков из металла и нейлона. Далее в штатные теплообменные трубки устанавливают Лайнеры (тонкостенные трубные вставки) с некоторым припуском по длине, позволяющим использовать специальные насадки для подачи воды и стравливания воздуха. Следующий этап – гидравлическое расширение Лайнеров. За счет подачи внутрь Лайнеров воды под высоким давлением (150 -750 кгс/см.кв.) происходит увеличение их размеров (по диаметру на всей длине) до соприкосновения со штатными трубками. Гидравлическое расширение прекращается только после полного соприкосновения стенок Лайнеров со стенками штатных трубок с необходимым натягом. Несмотря на высокое давление, создаваемое внутри Лайнеров, технология гидравлического расширения практически исключает риск повреждения штатных трубок. Далее расширенные Лайнеры подрезают и фрезеруют в трубную решетку. Затем происходит развальцовка Лайнеров в трубные решетки в соответствии с ТУ.

Предварительно заглушенные трубы, признанные непригодными, теперь восстановлены и возвращены в эксплуатацию.

Резюме

1. Тонкостенные металлические вставки для восстановления вышедших из строя труб и возращения в эксплуатацию трубок теплообменников эффективно используются более 35 лет по всему миру.
2. Благодаря широкому спектру сплавов, пригодных для трубных вставок, при помощи этого недорогого способа можно продлевать срок эксплуатации теплообменников в сильно коррозионной среде и в условиях высокой температуры и давления.
3. В настоящее время, зачастую, в проект новых теплообменников также входит методика по установке щитов и вставок полной длины.
4. В России этот метод успешно применяют с 2010 года на предприятиях энергетического и нефтеперерабатывающего комплекса.