鄧興成　張生旺　宋存元

摘 要：作為化工領(lǐng)域的重用換熱設(shè)備之一，管殼式換熱器發(fā)揮著重大的作用，并得到了廣泛的運(yùn)用。但是由于商品時(shí)代物質(zhì)速成這一特征的影響，使得換熱器會(huì)由于選材的不同，加工制造不合理，使用不當(dāng)?shù)榷喾矫娴囊蛩氐挠绊?，換熱器實(shí)效的現(xiàn)象屢見不鮮。換熱器的失效，可能會(huì)給企業(yè)帶來不可估量的經(jīng)濟(jì)損失，因此對(duì)管殼式換熱器失效原因、形式、及處理故障的分析很重要。由于換熱器內(nèi)部運(yùn)行的復(fù)雜性，使各種失效形式交錯(cuò)連接并存在著一定的聯(lián)系和影響，造成各種實(shí)施措施不能夠和諧統(tǒng)一的進(jìn)行。

關(guān)鍵詞：故障分析 失效形式 換熱器 敏感部位

中圖分類號(hào)：TQ05 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-3973（2013）005-027-02

隨著現(xiàn)代化建設(shè)的步法不斷的加快，作為石油企業(yè)化工領(lǐng)域的重用換熱設(shè)備之一，管殼式換熱器在發(fā)揮著重大的作用，并得到了廣泛的運(yùn)用。但是由于商品時(shí)代物質(zhì)速成這一特征的影響，使得換熱器會(huì)由于選材的不同，加工制造不合理，使用不當(dāng)?shù)榷喾矫娴囊蛩氐挠绊懀瑩Q熱器實(shí)效的現(xiàn)象屢見不鮮。換熱器的失效，可能會(huì)給企業(yè)帶來不可估量的經(jīng)濟(jì)損失，因此對(duì)管殼式換熱器失效原因、形式、及處理故障的分析很重要。本文將通過對(duì)管殼式換熱器在工程中的實(shí)際運(yùn)用存在的問題進(jìn)行分析，找出管殼式換熱器最容易失效的敏感部位，并通過對(duì)換熱器失效的形式、特征分析，闡述管殼式換熱器失效形式對(duì)應(yīng)的處理方式。

1 常見的換熱器失效形式

敏感部位之一：換熱器管板和換熱管的連接處。

在換熱器管板和換熱管的連接處會(huì)出現(xiàn)幾何形狀的突變，加上外因等因素比如：管板與換熱管的連接不當(dāng)、焊后處理不及時(shí)合理、兩者之間存在的溫差應(yīng)力、板管和換熱管所選擇材料之間存在的差異性等，都會(huì)成為管板和管口連接處存在殘余應(yīng)力、焊接部位出現(xiàn)隱形缺陷（焊接部位出現(xiàn)氣孔、及其他雜質(zhì)）的原因。一旦受到殼程流體腐蝕性影響和誘導(dǎo)振動(dòng)，都會(huì)使換熱管和管板的連接處出現(xiàn)振動(dòng)疲勞破壞、連接縫隙腐蝕、應(yīng)力腐蝕開裂等現(xiàn)象。這些問題交錯(cuò)連接，共同作用會(huì)對(duì)連接處進(jìn)一步的損壞，加快了連接處的損害速度，降低了連接處的使用壽命。

敏感部位之二：折流板和換熱管配合使用處的損壞。

由于使用功能的需要，為了使換熱管的熱膨脹量能夠被充分的吸收和使用，以及加工制造的方便，通常會(huì)在換熱管和折流板的配合使用處留下一定程度的空隙。由于殼流體長(zhǎng)時(shí)間額沖擊，配合處的縫隙會(huì)不斷的增大，使折流板不斷的切割換熱管，在折流板的切割作用下設(shè)備不但會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)大的振動(dòng)噪音，還會(huì)引起換熱管的泄漏實(shí)效。同時(shí)配合處縫隙不斷的增大促使殼程流體內(nèi)部的流動(dòng)過程變進(jìn)一步的復(fù)雜化，對(duì)換熱器的傳熱效率造成了重大的影響。

敏感部位之三：換熱器殼體、管板連接處損壞。

在換熱器的使用過程中，其殼體和管板都會(huì)受到較大的壓力荷載和溫差應(yīng)力的長(zhǎng)期作用。這將直接導(dǎo)致?lián)Q熱器殼體、管板連接處局部應(yīng)力的形成。分析局部應(yīng)力出現(xiàn)的原因有二：（1）換熱器殼體載荷的溫度較高，且徑向變形大。而管板恰恰相反，不僅載荷溫度低，變形小，同時(shí)由于管板的厚度較大對(duì)變形剛度的抵抗力較強(qiáng)，因此對(duì)與之相連接的換熱器殼體約束力較大。（2）由于換熱器殼體受到限制，使高溫載荷下的徑向膨脹也受到了一定的限制。加上其他因素的影響，發(fā)生斷裂損害的可能性很大?？傮w來說，對(duì)于上述結(jié)構(gòu)局部應(yīng)力形成的主要因素是：換熱器殼體和管板之間的溫度分布不均勻，管板較大剛度這一特征的存在。所以在日常的操作中，可根據(jù)實(shí)際的需要，在達(dá)到結(jié)構(gòu)剛度要求的基礎(chǔ)上，可對(duì)管板的厚度進(jìn)行適當(dāng)?shù)慕档汀?/p>

敏感部位之四：U形彎管。

對(duì)不銹鋼管束的使用中，U形管自身的形態(tài)特征決定了它的塑性變形，在對(duì)其進(jìn)行運(yùn)用時(shí)會(huì)產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力。這是由于兩個(gè)直管段熱變形不均勻產(chǎn)生了溫差應(yīng)力，應(yīng)力之間相互疊加，促使彎管處拉應(yīng)力的形成。在腐蝕性介質(zhì)的參與下，加上換熱器工作過程中產(chǎn)生的扭曲振動(dòng)和彎曲振動(dòng)，很容易造成彎管處的疲勞腐蝕破壞，并且影響力很大。

敏感部位之五：小浮頭墊片出現(xiàn)泄漏。

溫差應(yīng)力的存在是造成小浮頭墊片內(nèi)漏的主要原因。在小浮頭墊片的使用過程中，由于溫差應(yīng)力的存在使螺栓預(yù)緊力降低，同時(shí)小浮頭墊片自身不能進(jìn)行自緊密閉，造成換熱器的使用實(shí)效?？偠灾?，造成小浮頭墊片發(fā)生泄漏的主要原因就是，預(yù)緊過程中和溫差應(yīng)力的作用下殘余應(yīng)力的存在。

2 失效形式對(duì)應(yīng)的處理措施

針對(duì)敏感部位一的處理措施：（1）在連接換熱管和板管時(shí)，可采用先焊后脹的方式來進(jìn)行。運(yùn)用機(jī)械液壓脹接處理連接處，同時(shí)要注意焊后的熱處理。通過對(duì)伸出管板的加長(zhǎng)，能夠有效的降低操作困難。（2）由于不同材料在接觸時(shí)會(huì)產(chǎn)生電勢(shì)差，為避免這種情況的出現(xiàn)，在對(duì)材質(zhì)進(jìn)行選擇時(shí)，應(yīng)當(dāng)盡量滿足換熱管和板管材質(zhì)的一致性。這一措施使殼程、管程存在的雙側(cè)腐蝕問題得到了有效的控制。還應(yīng)注意到的一個(gè)問題是：管板的材質(zhì)硬度要大于換熱管的，硬度差的存在可以使換熱管與板管實(shí)現(xiàn)最佳狀態(tài)的脹接。此外，對(duì)焊條的選擇也要根據(jù)實(shí)際需要認(rèn)真篩選。

針對(duì)敏感部位二的處理措施：（1）在對(duì)換熱管的加工過程中，一定要使折流板和換熱管之間存在的縫隙最大限度的減小。（2）對(duì)折流板材料的選擇時(shí)，相對(duì)來說材質(zhì)較軟的材料優(yōu)先，從而保護(hù)換熱管免受切割。（3）對(duì)換熱管的厚度進(jìn)行合理的增加，增強(qiáng)換熱管的抗切割能力。（4）嘗試著在已有的縫隙里加入一些彈性較好的材料，增加熱膨脹吸收量的同時(shí)，有效的阻止了折流板對(duì)換熱管的切割。

針對(duì)敏感部位三的處理措施：以達(dá)到規(guī)定強(qiáng)度的要求為前提，合理的對(duì)管板的厚度進(jìn)行降低。

針對(duì)敏感部位四的處理措施：（1）為了可以充分的吸收利用熱變形，可以適當(dāng)?shù)募哟骍形管的撓度。（2）對(duì)殘余應(yīng)力的消除，需要對(duì)彎管做特殊的技術(shù)處理。（3）使流體進(jìn)入殼體的面積進(jìn)一步的增大，同時(shí)合理的降低流速，達(dá)到減小激振頻率和激振力的目的。（4）管壁厚度的加大，可以使換熱管的耐磨性得到有效的提高。

針對(duì)敏感部位五的處理措施：（1）設(shè)備在運(yùn)行過程中，要最大限制的控制其操作溫度和運(yùn)行的壓力波動(dòng)，這一操作步驟可以降低浮頭墊片的疲勞失效率。（2）對(duì)影響溫度的系數(shù)及原因進(jìn)行認(rèn)真的考慮后再實(shí)驗(yàn)壓力進(jìn)行確定和檢修。以避免高溫下墊片蠕變和應(yīng)力松弛，造成密封比壓的降低，從而產(chǎn)生泄露現(xiàn)象。（3）在對(duì)螺栓進(jìn)行選用時(shí)，盡量挑選強(qiáng)度低的螺栓。預(yù)緊力并不是一味的增大，否則將會(huì)引起配合部件的嚴(yán)重變形。相關(guān)的部件一旦變形，將會(huì)影響預(yù)緊力的形成，或迫使預(yù)緊力下降。（4）要根據(jù)實(shí)際的需要，選擇合適的墊片。一般來說，墊片的系數(shù)越低越好。

3 針對(duì)管殼式換熱器失效形式的詳細(xì)分析

對(duì)換熱器的一般失效形式進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)：失效的產(chǎn)生與選材、振動(dòng)、腐蝕有著很大的關(guān)系。每一種失效形式的出現(xiàn)幾乎都離不開選材、振動(dòng)和腐蝕。下文將分別對(duì)振動(dòng)、腐蝕。選材進(jìn)行詳細(xì)的分析。

3.1 振動(dòng)

引起換熱器管束振動(dòng)的主要原因是，殼程流體產(chǎn)生了誘導(dǎo)振動(dòng)。一般來說，聲共鳴、紊流抖振、旋渦分離和彈性激振是管束振動(dòng)產(chǎn)生的四種形式。這四種形式中最重要的一種是彈性激振。紊流抖振和旋渦分離在一定程度上促進(jìn)了彈性激振的產(chǎn)生。因此對(duì)換熱器振動(dòng)的研究的本質(zhì)是對(duì)彈性激振的研究。在換熱器內(nèi)部流動(dòng)的流體，存在著“臨界流速”通常的作法是通過經(jīng)驗(yàn)半經(jīng)驗(yàn)法來確定的，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，相關(guān)學(xué)者研究出了參數(shù)多項(xiàng)式的運(yùn)算方法，作為一種方便快捷的數(shù)值計(jì)算方法，參數(shù)多項(xiàng)式可參與對(duì)各種振幅下流體力做功的計(jì)算，根據(jù)阻尼穩(wěn)定性，求出平衡振幅得到動(dòng)應(yīng)力數(shù)據(jù)。參數(shù)多項(xiàng)式方法更適合工程的實(shí)際需要。預(yù)防管束振動(dòng)的具體步驟如下：

（1）對(duì)開停工的管理順序要合理的制定，提高在線監(jiān)測(cè)質(zhì)量，對(duì)各種運(yùn)行條件要嚴(yán)格的控制。為了防止管束受到流體的直接沖撞，可以通過在流體入口處對(duì)分流器、防沖板等的設(shè)置，使流體的流速降低，從而使流體的脈動(dòng)降低。

（2）避免管束振動(dòng)的最直接有效的方法是，通過降低殼程內(nèi)流體的流速，使誘導(dǎo)振動(dòng)的頻率降低。但是這種方法會(huì)對(duì)傳熱效率有一定的影響。

（3）折流板間距的減小，折流板和管壁厚度的增加，以及換熱管和折流板之間的間隙盡量的減小是優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要措施。這對(duì)管束固有頻率的增加起著重要的作用。

3.2 腐蝕

應(yīng)力腐蝕開裂、腐蝕孔、均勻腐蝕是換熱器腐蝕的三種形式。這三種腐蝕形式的進(jìn)行都與環(huán)境腐蝕、腐蝕介質(zhì)、敏感材料有著密切的關(guān)系。均勻腐蝕雖然會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)造成一定的破壞，但是可以的其破壞程度進(jìn)行有效的控制，例如只需控制好換熱器的運(yùn)行趨勢(shì)，便可減輕其對(duì)結(jié)構(gòu)造成的危害。腐蝕孔的危害不存在預(yù)見性，作為腐蝕失效的最主要原因，在一定條件的作用下會(huì)形成自催化功能。當(dāng)腐蝕拉力和腐蝕介質(zhì)共同作用時(shí)，會(huì)促使應(yīng)力腐蝕開裂的形成。很多事故也都是有應(yīng)力腐蝕開裂造成的，雖然其危害性很大，但還是可以通過采取一定的措施來控制，比如對(duì)流體PH值、流速的控制等。

3.3 選材

對(duì)換熱器的加工和維修過程中，一定要根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行選材。對(duì)于機(jī)械性能方面的特征，不應(yīng)當(dāng)只重視材料的韌性、強(qiáng)度等。應(yīng)當(dāng)全方面綜合考慮實(shí)際應(yīng)用中環(huán)境因素對(duì)材料的影響，特別要注意的是不同材料的搭配使用要合理，最大限度的降低由于材質(zhì)間存在的差別而造成的對(duì)整體結(jié)構(gòu)的影響。

4 結(jié)語

本文通過對(duì)常見的換熱器失效形式、失效形式對(duì)應(yīng)的處理措施、針對(duì)管殼式換熱器失效形式的詳細(xì)分析的探討，提出了在連接換熱管和板管時(shí)，可采用先焊后脹的方式來進(jìn)行；最大限度的減小折流板和換熱管之間存在的縫隙；合理的對(duì)管板的厚度進(jìn)行降低；適當(dāng)?shù)募哟骍形管的撓度；控制運(yùn)行壓力波動(dòng)等方法。這些預(yù)防措施和治理方法對(duì)避免換熱器實(shí)效起著很重要的作用，但是由于換熱器內(nèi)部運(yùn)行的復(fù)雜性，使各種失效形式交錯(cuò)連接并存在著一定的聯(lián)系和影響，造成各種實(shí)施措施不能夠和諧統(tǒng)一的進(jìn)行。根據(jù)這一現(xiàn)狀，我們應(yīng)全方位的考慮，從換熱器的選材到對(duì)其的加工制造、安裝、使用、老化、維修都要及時(shí)的采取有效的措施，保證換熱器的“安全、穩(wěn)定、高效”運(yùn)行。

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