浮頭式換熱器防垢和除垢探討

【摘要】本文通過對浮頭式換熱器的結(jié)構(gòu)特點，污垢的形成、影響及對不同污垢的探討分析，制定有效的技術(shù)措施，控制污垢的產(chǎn)生以及污垢的清除，提高生產(chǎn)效率，降低能源消耗，確保浮頭式換熱器安全、高效運行。

【關(guān)鍵詞】浮頭式換熱器；防垢與除垢

在工業(yè)生產(chǎn)中實現(xiàn)兩種物料之間熱量傳遞的設(shè)備統(tǒng)稱為換熱器，20世紀30年代末瑞典制造出第一臺板式換熱器，應(yīng)用于紙漿廠，60年代初，由于制造工藝進步使得板式換熱器得到了完善和發(fā)展，在化工生產(chǎn)中的應(yīng)用也愈加廣泛。

換熱器是在石油、化工、冶金、電力、輕工、食品等行業(yè)普遍應(yīng)用的一種通用工藝設(shè)備。在煉油、化工裝置中換熱器占總設(shè)備數(shù)量的40%左右，占總投資的30%-45%。利用換熱器進行高溫和低溫熱能回收帶來了顯著的經(jīng)濟效益，換熱器是典型的工藝設(shè)備，應(yīng)用十分普遍，根據(jù)使用目的的不同，換熱器可分為熱加熱器、加熱器、冷凝器、蒸發(fā)器、再沸器等。

1、浮頭式換熱器的結(jié)構(gòu)及特點

浮頭式換熱器是目前應(yīng)用最為廣泛的一種換熱器，主要有管箱、殼體、管板、管束等，管子的兩端采用脹接或焊接或脹、焊結(jié)合的方式固定在管板上，管子的軸線與殼體的軸線平行，浮頭式換熱器屬于間壁傳熱式換熱器。

浮頭式換熱器兩端的管板，一端不與殼體相連，該端稱浮頭。管子受熱時，管束連同浮頭可以沿軸向自由伸縮，完全消除了溫差應(yīng)力。新型浮頭式換熱器浮頭端結(jié)構(gòu)，它包括圓筒、外頭蓋側(cè)法蘭、浮頭管板、鉤圈、浮頭蓋、外頭蓋及絲孔、鋼圈等組成，浮頭換熱器的特點：浮頭式換熱器的一端管板固定在殼體與管箱之間，另一端管板可以在殼體內(nèi)自由移動，這個特點在現(xiàn)場能看出來。這種換熱器殼體和管束的熱膨脹是自由的，管束可以抽出，便于清洗管間和管內(nèi)。其缺點是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價高（比固定管板高20%），在運行中浮頭處發(fā)生泄漏，不易檢查處理。浮頭式換熱器適用于殼體和管束溫差較大或殼程介質(zhì)易結(jié)垢的條件。由于浮頭式換熱器換熱面積大，傳熱效果好，長期以來在化工生產(chǎn)中占據(jù)了主體地位。

2、浮頭式換熱器的防垢與除垢

2.1污垢的形成、影響與監(jiān)測

（1）污垢的形成與影響

所謂污垢是指在與流體周圍接觸的固體表面上逐漸積聚起來的一層固態(tài)或軟泥狀物質(zhì)，它通常以混合物的形態(tài)存在。固體表面從潔凈狀態(tài)到被污垢覆蓋的過程，就是污垢的積聚過程，人們常稱之為結(jié)垢或污染。結(jié)垢是一種極為普遍的現(xiàn)象，它存在于自然界、日常生活和各種工業(yè)生產(chǎn)過程，特別是各種傳熱過程中。目前，對換熱器的污垢比較嚴格的定義是：換熱面上妨礙傳熱和增加流體流過換熱面時阻力的沉淀物。換熱裝置污垢的兩個基本屬性：①對傳熱的阻礙；②增加了換熱流體的流動阻力。為了防止和減少污垢對換熱設(shè)備的不利影響，人們采取了一系列的防垢、抑垢和除垢措施，如定期清洗、進行致垢流體的處理等，這些對策雖然在一定程度上減輕了污垢的危害，但卻加大了設(shè)備的維護費用，縮短了設(shè)備的正常運行周期，在一定程度上影響設(shè)備的壽命。

污垢現(xiàn)象廣泛存在于各種傳熱過程中，污垢的形成是一個復(fù)雜的過程，簡單地說，污垢產(chǎn)生包括兩個過程：第一個過程是污垢沉淀的過程，即污垢顆粒從主流液體向表面輸送并逐漸成長的過程；第二個過程是沉淀物質(zhì)形成粒狀、粒子簇或片狀后由于流動剪應(yīng)力或溫差應(yīng)力的作用從表面脫除的過程。

污垢對浮頭式換熱器及其系統(tǒng)的影響主要有以下幾點：

①污垢是熱的不良導(dǎo)體，污垢沉積在設(shè)備表面影響了傳熱效果，降低了生產(chǎn)效率。

②污垢積聚在設(shè)備的表面，使局部腐蝕加劇，容易產(chǎn)生點腐蝕造成穿孔。

③污垢在換熱管內(nèi)沉積使管內(nèi)流體的流通截面積變小，增大了流動阻力，導(dǎo)致泵或風(fēng)機的功率消耗增大造成設(shè)備運行總能量消耗增大。

④由于污垢而引起的停車清洗，降低了設(shè)備連續(xù)運行的周期，影響生產(chǎn)效率。

（2）污垢的監(jiān)測

①厚度監(jiān)測法：污垢厚度的測量可以用一種特定的儀器，它主要由一裝有可移動鋼針的測微計和一帶電流表的電回路組成（圖1），因金屬的電阻遠較污垢層的小而電流表的讀數(shù)猛然增大，這兩個電流讀數(shù)的差值就反映了污垢層的厚度，其具體數(shù)值應(yīng)針對同種污垢事先進行標定。

②壓降檢測法：壓降的測量通常是針對圓形、矩形或環(huán)形截面的通道進行的，是在兩個壓力旁通支管間跨接一個差壓計以測量其壓力降。

③溫差監(jiān)測法：污垢的溫差表示法是生產(chǎn)現(xiàn)場常用的一種污垢程度的表示方法，它是通過換熱器工藝介質(zhì)和冷卻水進出口溫度差的變化來反映污垢沉積量的變化。溫差監(jiān)測法簡便直觀，是一種被廣泛采用的現(xiàn)場監(jiān)測手段，其缺點是可信度受到其他因素的影響，在不采用校正的情況下，只能作為污垢積聚的一個參考值。

除上述方法外，還有液晶瞬態(tài)法、脈沖反射法、鈣離子濃度法以及采用光學(xué)技術(shù)法等進行污垢檢測。

2.2抑垢和防垢的技術(shù)措施

⑴水中雜質(zhì)對浮頭式換熱器的危害

①以離子或分子狀態(tài)溶解于水中的雜質(zhì)危害

a.鈣鹽類

在水中的主要構(gòu)成有Ca（HCO3）2＼、CaSO4、CaSiO3等，鈣鹽是造成浮頭式換熱器結(jié)垢的主要成分，其中CaSO4是一種松軟的泥渣式水垢。

b.鎂鹽

在水中的主要構(gòu)成有Mg（HCO3）2、MgCl2、MgSO4等鎂在水中受熱分解后生成Mg（OH）2沉淀，Mg（OH）2也是泥渣式水垢。溶解在水中的MgCl2、MgSO4，在PH<7時，由于水解作用會造成金屬壁的酸性腐蝕。

c.鈉鹽

主要構(gòu)成有NaCl、Na2SO4、NaHCO3等，NaCl不生成水垢，但在水中有游離氧存在，會加速金屬壁的腐蝕；Na2SO4的含量過高，會在管束上結(jié)鹽，影響安全運行。

②溶解氧氣體的危害

浮頭式換熱器發(fā)生的腐蝕原因很多，但腐蝕最嚴重的、速度最快的還是氧氣，鐵在不含氧中性水中，系統(tǒng)金屬表面的鐵原子失去電子成二價的離子，當水中有氧氣存在時會被氧化成不溶性的氫氧化鐵沉淀出來。可以看出，水和氧是受腐蝕的必要條件，當腐蝕在整個金屬表面基本均勻地進行時，腐蝕的速度就不會很快，所以危害性不大，這種腐蝕稱為全面腐蝕。當腐蝕集中于金屬表面的某些部位時，則稱為局部腐蝕。局部腐蝕的速度快，容易銹穿，是浮頭式換熱器常見的局部腐蝕。

③以膠體狀態(tài)存在的雜質(zhì)對浮頭式換熱器的危害

a.鐵化合物

主要成分是Fe2O3，它會生成鐵垢，當水中含有鐵化合物較多時，水常呈黃色。

b.粘垢

主要是微生物的分泌物與水中泥沙、腐蝕產(chǎn)物、菌藻殘骸黏結(jié)而成，它們常常附著在浮頭式換熱器壁面上，產(chǎn)生各種有機酸，這種酸也會引起腐蝕。

因此，浮頭式換熱器流體水質(zhì)要求非常重要，在運行管理中，應(yīng)加強重視，配備一些必要的防垢、防腐設(shè)備，延長設(shè)備的使用壽命。

⑵浮頭式換熱器常用的防垢措施

①浮頭式換熱器防垢前期注意事項

a.投運前的檢查

換熱設(shè)備在加工、運輸和安裝過程中都可能受到污染和損傷，因此，必須對換熱設(shè)備進行檢查，其目的是確保換熱設(shè)備的質(zhì)量滿足要求。檢查的主要內(nèi)容是：結(jié)構(gòu)材料是否符合抑制腐蝕污垢要求；是否按要求進行表面處理或噴涂，以減少污垢的生成等。

b.壓力試驗

在浮頭式換熱器投運前，通常要在驗收現(xiàn)場，以系統(tǒng)的方法進行水壓試驗，從抑制污垢的角度建議按如下步驟進行試驗。

（a）從浮頭式換熱器設(shè)備中除去殘余物，如焊條、凸出的焊渣、橡膠手套等。

（b）試驗用水要潔凈，否則會使浮頭式換熱器在投運前產(chǎn)生腐蝕或沉積。

（c）在浮頭式換熱器試驗后，應(yīng)進行充分的排水，然后用加有緩蝕劑、殺菌劑的溶液充滿，以防止腐蝕和污染。

（d）若清洗后的浮頭換熱器處于備用狀態(tài)，則緩蝕劑的濃度和數(shù)值要維持在適當水平，以防止腐蝕。還要進行周期性的檢查。

（e）在浮頭換熱器投運和啟動前應(yīng)將緩蝕溶液完全排除。

②加藥軟化處理

加藥軟化處理是常用的防垢抑垢措施，這種方法簡單高效，經(jīng)濟性好，實用性強。通常根據(jù)加藥的方法不同，有校正劑處理和防垢劑處理兩種方法。

a.校正劑方法

水中的永久硬度物與校正劑反應(yīng)生成泥渣，避免了硫酸鹽水垢。常用的校正劑主要有NaOH、Na2CO3、NaHCO3等。

b.防垢劑方法

防垢劑在水中解離后，游離出的CO2-3、PO3-4等能和水中硬度的鹽類起反應(yīng)生成泥渣而不結(jié)垢。常用的防垢劑是由校正劑和磷酸三鈉等物質(zhì)組成的混合藥劑。

③磁化防垢處理

磁化防垢處理原理是利用水分子具有的極性，在外界高強度磁場的作用下，相鄰的帶極性的離子或分子，就有秩序地相互壓縮和吸引，從而導(dǎo)致結(jié)晶條件的改變，形成的結(jié)晶物很松弛，抗壓、抗拉能力差，其黏結(jié)力和附著力也很弱，它們不易附著在受熱面上形成水垢。

根據(jù)上述原理，制造成各種形式的磁化器，最典型的是永磁磁化器和強磁除垢器。

④離子棒防垢處理

離子棒具有防垢除垢的雙重功能，其原理如下：

a.離子棒通過8500v高壓靜電場的直接作用，改變水分子中的電子結(jié)構(gòu)，水偶極子將水中陰陽離子包圍，并按正負順序呈鏈狀整齊排列，使之不能自由運動，水中所含陽離子不致趨向器壁，阻止鈣、鎂離子在器壁上形成水垢，從而達到防垢的目的。

b.由于靜電的作用，在結(jié)垢系統(tǒng)中能破壞分子間的電子結(jié)合力，改變晶體結(jié)構(gòu)，促使硬垢疏松，從而提高水垢的溶解速率，使已產(chǎn)生的水垢能逐漸剝蝕、脫落，從而達到除垢的目的。

⑤鈉離子交換軟化處理

鈉離子交換處理的原理是將水中的Ca2+和Mg2+鹽類，利用置換原理，將其用Na2+置換，這樣水中的Ca2+和Mg2+就沒有或很少，達到水質(zhì)軟化的目的，從而防垢。

2.3污垢的清除與清洗

浮頭式換熱器結(jié)垢所造成的經(jīng)濟損失非常嚴重，因此，除在浮頭式換熱器設(shè)計、選型、控制污垢等方面采取抑垢措施外，還應(yīng)定期進行污垢的清洗、清除。

⑴浮頭式換熱器的合理清洗周期

因污垢隨運行時間而不斷增長，使浮頭式換熱器的傳熱能力逐漸下降，這就要求對浮頭式換熱器進行周期性地清洗，而確定最佳的清洗周期就非常重要了。

最佳的清洗周期可以用兩種方式表達：

①以總生產(chǎn)率最大作為目標函數(shù)求得最佳的清洗周期，成為最大產(chǎn)量清洗周期。

②以單位質(zhì)量產(chǎn)品的費用最小作為目標函數(shù)求得最佳的清洗周期，成為最小成本周期。

⑵機械清洗技術(shù)

機械清洗是各種工業(yè)中常用的清除浮頭式換熱器污垢的方法，它可以除去化學(xué)清洗方法不能除去的炭化污垢和硬質(zhì)垢層，而鋼材損耗微小。采用機械清洗時，常常得先將設(shè)備解體，因此清洗時間較長，費用也較高，但也有有利的方面，就是在解體清洗的同時，可以檢查、修補或替換損壞的換熱面。

機械清洗的方法可以分為兩類：一類是強力清洗法，如噴水清洗、噴砂清洗、刮刀或鉆頭除垢等；另一類是軟機械清洗，如鋼絲刷清洗和膠球清洗等。

⑶化學(xué)清洗技術(shù)

①化學(xué)清洗的機制及影響因素

化學(xué)清洗的機制包括：a.清洗劑進入待清除的污垢層；b.清洗劑濕潤并滲入整個污垢層，并與其中的一些組分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)；c.擴散作用使反應(yīng)生成物在清洗劑中耗散。

大量研究表明，在若干個影響因素中，起主要作用的有清洗劑濃度、清洗溫度和化學(xué)反應(yīng)。此外機械作用（流量、流速）對清洗過程也有一定的影響。

②化學(xué)清洗的特點 化學(xué)清洗的優(yōu)點主要表現(xiàn)以下幾點：

a.化學(xué)清洗可不必拆開設(shè)備，這對浮頭式換熱器非常重要。

b.化學(xué)清洗能清洗到機械清洗所清洗不到的地方。

c.化學(xué)清洗均勻一致，微小的間隙均能洗到，不會形成新的污垢。

d.化學(xué)清洗可以避免金屬表面的損傷。

e.化學(xué)清洗可以現(xiàn)場完成，勞動強度比機械清洗小。

f.化學(xué)清洗的鋼材腐蝕量，幾乎可以忽略不計。

化學(xué)清洗的缺點如下：

a.不適用管程、殼程全被污垢堵塞的換熱設(shè)備。

b.難以除去炭污垢。

c.清洗時如果處理不當或緩蝕劑使用不當，會導(dǎo)致設(shè)備發(fā)生腐蝕現(xiàn)象。

d.因使用了各種藥劑，需對清洗廢液加以處理，直接排放會污染環(huán)境。

③化學(xué)清洗的方法

常用的清洗方式有如下幾種：

a.循環(huán)法

在清洗液儲槽和被清洗的設(shè)備之間接上循環(huán)泵和管道以形成閉合回路，通過泵強制清洗液循環(huán)來實現(xiàn)清洗，是最為普遍使用的一種方法。

b.浪涌法

將清洗液充滿清洗設(shè)備，每隔一定時間把清洗液從底部卸出一部分，再將卸出的液體裝回設(shè)備內(nèi)，以達到攪拌清洗的目的。

④化學(xué)清洗的一般程序

化學(xué)清洗是一項非常復(fù)雜的任務(wù)，它涉及設(shè)備本身及與設(shè)備相連的清洗裝置和物料所構(gòu)成的整個系統(tǒng)。要進行有效、經(jīng)濟和安全的清洗，必須全面考慮嚴格按清洗程序?qū)嵤Ｒ话銇碚f，一個完整的清洗過程大致包含以下基本程序：

a.了解、勘察和檢查被清洗設(shè)備的型式和相關(guān)尺寸，掌握設(shè)備的材質(zhì)及應(yīng)清洗的地方。

b.進行污垢調(diào)查，在有代表性的結(jié)垢處取樣進行成分分析，將污垢用各種藥劑進行處理試驗，求出溶解度，確定藥劑的品種、劑量及清洗時間。

c.結(jié)合實際情況，確定清洗配方和相應(yīng)的緩蝕劑，確定清洗液的濃度和用量。

d.確定清洗地點，妥善安排清洗用水源、加熱清洗液的熱源以及污水的處理和排放。

e.制定安全可靠，科學(xué)合理的清洗方案，同時做好安全防范和人員協(xié)調(diào)等各項工作。

3、結(jié)論

浮頭式換熱器帶垢、帶銹運行，將導(dǎo)致工業(yè)設(shè)備生產(chǎn)效率嚴重降低，能源消耗大幅增加，嚴重影響產(chǎn)品質(zhì)量，設(shè)備故障率頻繁，給安全生產(chǎn)帶來嚴重隱患，由于浮頭式換熱器結(jié)垢、腐蝕，導(dǎo)致報廢、更換、維修，會造成生產(chǎn)停頓和巨大的經(jīng)濟損失，這就要求我們企業(yè)的生產(chǎn)經(jīng)營管理者必須高度重視浮頭式換熱器的防垢和除垢工作，確保浮頭式換熱器安全、高效運行。