蔣連勝

(廣州聯(lián)合冷熱設(shè)備有限公司，廣東　廣州　510530)

?

管殼式換熱器的失效、破壞后成因與控制

蔣連勝

(廣州聯(lián)合冷熱設(shè)備有限公司，廣東廣州510530)

管殼式換熱器因耐高溫高壓、傳熱系數(shù)高、生產(chǎn)成本低等特點(diǎn)應(yīng)用較為廣泛。但其結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，使用工況也具有多元化的特點(diǎn)，因此會(huì)產(chǎn)生多種失效形式。本文詳細(xì)介紹了換熱管和管板之間的連接方式及應(yīng)用范圍，分析了管殼式換熱器受到失效、破壞后的成因和工作介質(zhì)、材料、設(shè)備結(jié)構(gòu)、設(shè)備操作、流體載荷、結(jié)垢等因素對(duì)管殼式換熱器失效、破壞的影響。并總結(jié)出預(yù)防、控制管殼式換熱器失效及破壞的方法。

管殼式換熱器失效；管板；換熱管；成因；控制

換熱器是化工、石油、制藥及能源等行業(yè)中應(yīng)用相當(dāng)廣泛的單元設(shè)備之一。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在現(xiàn)代化學(xué)工業(yè)中換熱器的投資大約占設(shè)備總投資的30%，在煉油廠中占全部工藝設(shè)備的40%左右，雖然各種板式換熱器競(jìng)爭(zhēng)力在上升，但管殼式換熱器仍占主導(dǎo)地位約64%。原因在于其耐高溫高壓、傳熱系數(shù)高、安裝方便、結(jié)構(gòu)緊湊、生產(chǎn)成本低等特點(diǎn)。同時(shí)，因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)的多樣性以及應(yīng)用要求的復(fù)雜性原因，從而引起換熱器各種形式的失效情況。如：換熱管與管板之間的連接處容易出現(xiàn)失效，筒體與管板之間的焊縫處也容易失效[1]。換熱管振動(dòng)、熱應(yīng)力或是附加應(yīng)力以及工作媒介的腐蝕性等情況均會(huì)導(dǎo)致?lián)Q熱器部分或是整體性的失效后果。

1　換熱管與管板之間的連接

1.1機(jī)械滾脹法

機(jī)械滾脹法，一般會(huì)造成換熱管出現(xiàn)過脹或是欠脹的情況, 換熱管的內(nèi)壁容易出現(xiàn)加工的硬化現(xiàn)象。如下圖1所示為脹接方式，主要應(yīng)用在抗拉脫能力和密封性高的環(huán)境中，不可以在高溫環(huán)境中工作。在出現(xiàn)溫差改變時(shí)，脹接位置的殘余應(yīng)力會(huì)慢慢消失，降低了抗拉脫力和密封性能，從而造成換熱管和管板之間連接的失效[2]。它的優(yōu)點(diǎn)在于脹接的結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，有利于換熱管的更換和修補(bǔ)，通常運(yùn)用在設(shè)計(jì)壓力不高于4.0 MPa以及設(shè)計(jì)溫度不高于300 ℃的條件下。

圖1　脹接方式示意圖

1.2液壓脹接

液壓脹接法，使管板與換熱管的連接位置應(yīng)力分布均勻，具有勞動(dòng)強(qiáng)度低、生產(chǎn)效率高、密封性良好等優(yōu)點(diǎn)，但是對(duì)于管板的管孔以及開槽的精度要求特別高。

1.3爆破脹管

爆破脹管，指的是利用爆炸時(shí)產(chǎn)生的徑向力，使得換熱管脹緊，與此同時(shí)，利用爆炸時(shí)產(chǎn)生的軸向力，將管內(nèi)殘?jiān)Τ龉芡狻Ｃ浗臃ㄟm用于無劇烈振動(dòng)，無過大的溫度波動(dòng)，無明顯的應(yīng)力腐蝕傾向的場(chǎng)合。

1.4焊接法

換熱管與管板如采用焊接形式如圖2所示時(shí), 換熱管和管板焊縫連接處產(chǎn)生殘余應(yīng)力狀態(tài)，從而造成應(yīng)力腐蝕和腐蝕疲勞，換熱管和管板的連接處易產(chǎn)生失效泄漏[3]。因而在施焊時(shí)，需對(duì)管端加以打磨，清除焊接范圍的污染物。焊接法不適用于較大振動(dòng)、有縫隙腐蝕傾向的場(chǎng)合。

圖2　焊接方式示意圖

2　管殼式換熱器失效與受到破壞的成因分析

腐蝕是管殼式換熱器最常見的失效形式。腐蝕最常見的部位為換熱管與管板連接處，受到腐蝕的成因如下：管殼程工作介質(zhì)自身的酸堿性存在著腐蝕性，殼體或是換熱管中的拉應(yīng)力，換熱管和管板內(nèi)部存在著縫隙等情況[4]。上述情況均會(huì)加快腐蝕的進(jìn)度，從而造成換熱器的失效。

2.1工作介質(zhì)腐蝕

若工作介質(zhì)內(nèi)溶解一定含量的氧、氮、氫與硫等元素，一般會(huì)造成換熱器的失效。選擇合理的媒介決定著換熱器的使用壽命，不同的腐蝕性介質(zhì)要選用相對(duì)應(yīng)的預(yù)防對(duì)策。如：使用回收硝酸尾氣作為熱量的廢熱鍋爐，因?yàn)橄跛嵛矚庵兄饕煞菔堑?，?dāng)其處于一定的溫度與壓力環(huán)境中，氮和鐵其他不少的合金元素會(huì)產(chǎn)生硬且脆的氮化物，從而造成鋼材出現(xiàn)氮化的現(xiàn)象，最終降低力學(xué)性能趨弱[5]。特別是高溫氣體的入口處，工作介質(zhì)腐蝕會(huì)造成管板的表面、管板與換熱管之間的連接處以及管板外部的換熱管端面由于氮化的緣故而造成換熱管出現(xiàn)泄漏的后果。海洋環(huán)境中使用的設(shè)備面臨著更加復(fù)雜的腐蝕情況，如：吸氧腐蝕、海生物腐蝕等。金屬腐蝕還與海水的氧含量、溫度、pH、溶液成份、海水的流速等因素有關(guān)。紫銅對(duì)海水流速腐蝕最敏感，B10銅合金對(duì)加入海砂后的沖刷腐蝕也很敏感。大部分銅合金在流動(dòng)海水均存在臨界流速。如：海水流速超過4.5 m/s，B30銅合金腐蝕速度非常的快, 銅合金在海水環(huán)境中還面臨著脫成分腐蝕情況[6]。

2.2應(yīng)力腐蝕

應(yīng)力腐蝕是最廣泛最嚴(yán)重的一種失效形式。其產(chǎn)生的基本條件有三點(diǎn)：①敏感材質(zhì)，發(fā)生應(yīng)力腐蝕主要是合金，純金屬極少發(fā)生；②特定的介質(zhì)，如酸堿鹽溶液、海水、工業(yè)大氣、水蒸汽等；③足夠的拉應(yīng)力。管殼式換熱器在熱處理、焊接以及加工過程中出現(xiàn)的殘余應(yīng)力，設(shè)備在工作條件下承受外載荷而引起的工作應(yīng)力，溫差引起的熱應(yīng)力，設(shè)備、部件的安裝和裝配而引起的應(yīng)力以及腐蝕產(chǎn)物體積效應(yīng)而引起的應(yīng)力等。因此，應(yīng)及時(shí)地清除應(yīng)力腐蝕影響。

2.3縫隙腐蝕

縫隙腐蝕是因金屬與非金屬之間或金屬與金屬之間存縫隙，使縫隙內(nèi)介質(zhì)處于滯流狀態(tài)而引起縫內(nèi)金屬腐蝕加速的一種局部腐蝕形態(tài)。縫隙腐蝕的條件是應(yīng)具有一定的縫隙，其寬度必須能使介質(zhì)進(jìn)入縫內(nèi)，同時(shí)又必須窄到能使介質(zhì)在縫內(nèi)停滯。一般發(fā)生縫隙腐蝕最敏感的縫寬為0.025～0.1 mm。如換熱管與管板采用如上圖2所示焊接時(shí)，管板和換熱管之間存在著縫隙往往就會(huì)發(fā)生縫隙腐蝕。因此，應(yīng)及時(shí)地改善制造工藝盡量避免縫隙的存在。

2.4腐蝕疲勞

腐蝕和循環(huán)載荷協(xié)同作用下往往會(huì)發(fā)生腐蝕疲勞，腐蝕環(huán)境中運(yùn)行的設(shè)備要經(jīng)常承受交變載荷，很少有實(shí)際構(gòu)件只承受單向靜態(tài)負(fù)載，腐蝕疲勞其危險(xiǎn)程度比單純的腐蝕或疲勞要嚴(yán)重得多。因此，分析腐蝕疲勞損傷發(fā)生發(fā)展的原因和速度，進(jìn)而評(píng)估設(shè)備的使用壽命或找到有效的腐蝕疲勞斷裂的控制措施，提高設(shè)備運(yùn)行的可靠程度。

3　管殼式換熱器失效的控制方法

3.1結(jié)垢

管殼式換熱器在操作一定時(shí)間之后，若管壁的結(jié)垢非常地明顯，那么傳熱能力就會(huì)弱化，換熱介質(zhì)的出口溫度無法與最初設(shè)計(jì)的工藝參數(shù)要求相吻合，污垢造成管內(nèi)徑日益變小，流速則遞增；壓力受損遞增。此時(shí)，應(yīng)采用定期性的流量檢測(cè)、壓力與溫度等多種操作方式來界定結(jié)垢的狀況。

3.2腐蝕與磨損

污垢、換熱介質(zhì)、流體速度偏大以及電化學(xué)等一系列原因均會(huì)造成換熱器殼體、換熱管以及外部出現(xiàn)腐蝕與磨損。殼體一般采用超聲波測(cè)厚設(shè)備或是其他的非破壞性測(cè)厚設(shè)備，由外部檢測(cè)與評(píng)估的方式界定能夠產(chǎn)生腐蝕與減薄等殼體具體部位[7]。換熱管在出現(xiàn)破裂之前的腐蝕與磨損狀況采用渦流探傷法進(jìn)行分析，詳細(xì)分析換熱管壁厚減薄量，同時(shí)也對(duì)換熱管缺陷的深度進(jìn)行分析，提前預(yù)防并控制換熱器的失效。

3.3泄漏

換熱管因?yàn)楦g以及誘導(dǎo)振動(dòng)等緣故會(huì)出現(xiàn)破裂的現(xiàn)象，管端因?yàn)楦g以及高溫蠕變等，再加上疲勞破壞等緣故從而造成換熱管和管板之間的連接處出現(xiàn)泄漏。有效的控制方法：在流體出口處取樣，分析它的色澤、粘度以及比重等指標(biāo)來測(cè)試管束的泄漏與破壞的程度。

3.4振動(dòng)

換熱管束會(huì)和泵、壓縮機(jī)發(fā)生共振的情況，回轉(zhuǎn)機(jī)械會(huì)發(fā)生直接脈動(dòng)的沖擊，流體會(huì)產(chǎn)生一定的振動(dòng)，通過采用振動(dòng)測(cè)試設(shè)備或振動(dòng)聲響的方式來推斷振動(dòng)的情況。

3.5內(nèi)孔焊技術(shù)

有些換熱器是工作在高溫與腐蝕性應(yīng)力環(huán)境中的，換熱管與管板如采用圖2方式焊接時(shí)，管板和換熱管內(nèi)部會(huì)存在著間隙，同時(shí)焊縫遇到高溫外界腐蝕性流體載荷沖擊影響，很容易出現(xiàn)腐蝕開裂的情況，從而在很大程度上縮短了設(shè)備的使用壽命。為了降低高溫腐蝕性流體對(duì)管板焊縫所帶來的損害，必須改善焊接工藝來加以控制，優(yōu)化管板和管束之間的連接形式?？梢赃x擇對(duì)接焊縫形成對(duì)接接頭或鎖底接頭內(nèi)孔焊結(jié)構(gòu)。對(duì)接焊縫形成對(duì)接接頭內(nèi)孔焊形式如圖3所示。內(nèi)孔焊接頭技術(shù)能夠有效地降低換熱管和管板接頭處所存在的應(yīng)力腐蝕和間隙腐蝕等情況。

圖3　管板形式示意圖

4　結(jié)　論

通過上述分析，管殼式換熱器的失效、破壞與工作介質(zhì)、材料、設(shè)備結(jié)構(gòu)、設(shè)備操作、流體載荷等多種因素存在著內(nèi)在的關(guān)聯(lián)性，也是上述因素的共同作用。因此，在設(shè)計(jì)管殼式換熱器時(shí)應(yīng)考慮材料的選用、管板的強(qiáng)度、換熱管強(qiáng)度和穩(wěn)定性、制造工藝、設(shè)備操作和使用環(huán)境狀況及工作介質(zhì)性質(zhì)等各類影響因素，達(dá)到有效控制管殼式換熱器失效目的。

[1]孫曉峰.管殼式換熱器的腐蝕與防護(hù)分析[J].化工裝備技術(shù),2015,18(1):52-55.

[2]孫結(jié)實(shí).管子與管板的聯(lián)結(jié)方式述評(píng)[J].化工設(shè)備設(shè)計(jì),1997,34(6):35-36.

[3]金燕,桑芝富,湯成亮.硝酸裝置冷凝器的換熱管與管板內(nèi)孔全對(duì)接焊的實(shí)施[J].化工設(shè)備與管道, 2004,41(6):57-59.

[4]蔡仁龍.提高換熱器管板與管子連接接頭質(zhì)量淺談[J].化工設(shè)備與管道,2000,37(2):14-15.

[5]陸宏瑋,陰起龍.內(nèi)孔焊結(jié)構(gòu)在換熱器中的應(yīng)用[J].煤化工,2014,2(1):10-12.

[6]柯偉,楊武.腐蝕科學(xué)技術(shù)的應(yīng)用和失效案例[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2005:265-267.

[7]孫曉峰.管殼式換熱器的腐蝕與防護(hù)分析[J].化工裝備技術(shù),1997,18(1):52-55.

Failure, Failure Causes and Control of Tube and Hell Heat Exchanger

JIANG Lian-sheng

(Guangzhou United A/C & R Co., Ltd., Guangdong Guangzhou 510530, China)

Shell and tube heat exchangers are widely used in high temperature and high pressure, high heat transfer coefficient, low production cost, and so on. But its structure is more complex, the use of working conditions also has the characteristics of diversity, so it will produce a variety of failure mode. The connection way and the application scope between the heat exchange tube and a tube plate was introduced in detail, the failure and destruction causes of the tube shell type heat exchanger, working medium, materials, structure of equipment, equipment operation, fluid loading, scaling and other factors on the effect of shell and tube heat exchanger failure, damage were analyzed. And the methods of preventing and controlling the failure of shell and tube heat exchanger were summarized.

tube and shell heat exchanger；tube sheet; heat exchange tube; cause; control

蔣連勝(1976-)，男，主要從事壓力容器設(shè)計(jì)及技術(shù)管理。

TH

A

1001-9677(2016)016-0173-03