管殼式換熱器在壓縮機(jī)機(jī)組中出現(xiàn)泄露的研究與分析

徐鶴 韓曉峰

摘 要：分析管殼式換熱器的泄漏現(xiàn)象，提出折流板與銅管之間存在微小間隙，在壓縮空氣的沖刷下，兩者之間頻繁的碰撞和摩擦，導(dǎo)致銅管壁破裂泄漏。文章還提出了在銅管與管板之間增加耐磨的聚四氟乙烯套管，來保護(hù)換熱銅管的設(shè)計(jì)思路。

關(guān)鍵詞：管殼式換熱器；泄漏；分析；改進(jìn)設(shè)計(jì)

管殼式換熱器在石化行業(yè)應(yīng)用廣泛，但由于工藝介質(zhì)、制造質(zhì)量、管束材質(zhì)等諸多因素的影響，管殼式換熱器泄漏問題時(shí)有發(fā)生。實(shí)踐證明，不銹鋼管束一旦出現(xiàn)泄漏問題，很難判斷泄漏的準(zhǔn)確位置。采用整體管程打壓，將換熱器兩端扣上封頭，檢查管束，但因管束太多，很難找到漏點(diǎn)，嚴(yán)重影響著生產(chǎn)的長(zhǎng)周期穩(wěn)定運(yùn)行。本文以A廠為例，實(shí)例分析了故障現(xiàn)象，以及提出了解決方法。

1 故障現(xiàn)象

壓縮空氣是生產(chǎn)企業(yè)的必要?jiǎng)恿χ?，A廠動(dòng)力中心站房?jī)?nèi)安裝使用壓空設(shè)備是4臺(tái)水冷式BOGES0340無油螺桿空壓機(jī)。設(shè)備于2010年投用，狀態(tài)一直比較平穩(wěn)，但近期卻多次發(fā)生冷卻器內(nèi)漏的情況。其中一臺(tái)冷卻器漏水，由于發(fā)現(xiàn)不及時(shí)，導(dǎo)致冷卻水進(jìn)入了壓縮機(jī)腔體，造成Ⅱ級(jí)轉(zhuǎn)子抱死的嚴(yán)重情況，由于故障出現(xiàn)的較有規(guī)律性，因此對(duì)其進(jìn)行了相關(guān)的調(diào)查和分析，并提出了一些改進(jìn)建議，供同行借鑒。

2 泄漏原因調(diào)查

2.1冷卻器的基本結(jié)構(gòu)及有關(guān)參數(shù)

BOGES0340無油螺桿空壓機(jī)為兩級(jí)壓縮，配置的冷卻器為兩回程管殼式換熱器（結(jié)構(gòu)見圖1），

冷卻水走管程，壓縮空氣走殼程，換熱器主要部件為紫銅管，管徑8mm，壁厚1mm，共計(jì)232根換熱管。

冷卻器中冷卻水進(jìn)口溫度在25—32℃之間（冬夏季有所差異），出口溫度小于38℃，壓縮空氣出口溫度在180—195℃之間，I級(jí)壓縮出口壓力在2bar左右，Ⅱ級(jí)出口壓力在7.0—7.5bar之間。

2.2故障調(diào)查

通過對(duì)發(fā)生泄漏的4臺(tái)換熱器進(jìn)行檢漏，發(fā)現(xiàn)泄漏點(diǎn)多分布在換熱器上部，即靠近壓縮空氣進(jìn)口側(cè)位置（如圖l所示），共計(jì)有5處漏點(diǎn)，其中1位置處有2根管有漏點(diǎn)，2位置處有2根管有漏點(diǎn)，3位置處有1根管有漏點(diǎn)。進(jìn)一步檢查發(fā)現(xiàn)，漏點(diǎn)基本都分布在折流板與銅管接觸的地方，5處漏點(diǎn)中有3處為局部穿孔泄漏，2處為局部裂紋泄漏，用手對(duì)換熱銅管施加外力，發(fā)現(xiàn)上部的銅管有輕微的松動(dòng)，銅管與折流板之間有擦痕，下部的銅管無此現(xiàn)象。

3 泄漏原因分析

3.1發(fā)生泄漏的部位多發(fā)生在冷卻器的上部，此處是壓縮空氣出口與換熱器接觸的位置。由于壓縮空氣的出口溫度（180—195℃）較高，因此換熱器上部的銅管外壁溫度也最高，機(jī)組長(zhǎng)期運(yùn)行特別是重載運(yùn)行的時(shí)候，容易造成銅管受熱，機(jī)械強(qiáng)度下降。但管殼式換熱器的結(jié)構(gòu)形式?jīng)Q定了這種情況是難以克服的。具體機(jī)械強(qiáng)度的影響有多大，難以準(zhǔn)確判斷，這里只能作定性分析。筆者認(rèn)為對(duì)于本案例，這只是導(dǎo)致泄漏的一個(gè)次要原因。

3.2管殼式換熱器在加工工藝中，換熱銅管被穿過兩頭的管板和中間的折流板，然后用機(jī)械漲管的方法將銅管與管板固定。折流板和銅管之間為了穿管方便，一般折流板的孔洞都會(huì)留有公差配合，這就使得折流板與銅管之間存在一定的間隙（見圖2），也就是說折流板和銅管之間實(shí)際上是松動(dòng)的。當(dāng)空壓機(jī)重載運(yùn)行時(shí)，被壓縮的高溫（180—195℃）高速（查設(shè)備手冊(cè)，壓縮空氣出口速度在10.6m/s）空氣進(jìn)入換熱器后持續(xù)的沖刷銅管，由于銅管兩端是固定的，壓縮空氣的沖擊力作用在銅管上，導(dǎo)致銅管受力擾動(dòng)變形；當(dāng)空壓機(jī)空載運(yùn)行時(shí)，空氣進(jìn)口閥門關(guān)閉，沒有壓縮空氣進(jìn)入冷卻器，銅管的受力消失，銅管恢復(fù)原狀；當(dāng)空壓機(jī)頻繁加卸載時(shí)，銅管就會(huì)交替出現(xiàn)受力變形和恢復(fù)原狀的變化過程，這就會(huì)引起銅管與折流板之間的不停的碰撞和摩擦。長(zhǎng)時(shí)間的剛性碰撞和摩擦導(dǎo)致與折流板接觸部位的銅管壁逐漸變薄，從而導(dǎo)致局部穿孔或裂縫，使泄漏現(xiàn)象產(chǎn)生。因此折流板與銅管之間碰撞、摩擦是造成換熱管局部泄漏的主要原因。

4 改進(jìn)設(shè)計(jì)思路

通過上面分析，我們知道折流板與銅管接觸的地方是受力比較集中的地方，其剛性的碰撞和摩擦是導(dǎo)致泄漏的主要原因，因此解決泄漏問題的關(guān)鍵是降低或避免折流板和銅管之間的剛性接觸。

據(jù)上述思路，本文提出在換熱銅管與折流板接觸的地方增加一層耐摩擦的保護(hù)套管的設(shè)計(jì)思路，一方面可以將折流板與銅管隔離開來（見圖3），減少了金屬之間的直接接觸，另外由于保護(hù)套管為塑性材料，也可以減少銅管和折流板之間的間隙，從而實(shí)現(xiàn)保護(hù)換熱銅管的目的。

在加工工藝上，宜對(duì)折流板的孔洞做倒角鈍化處理，以減少其棱邊對(duì)保護(hù)套管的摩擦。在套管材料的選擇上，可以考慮用聚四氟乙烯材料，因?yàn)槠錆M足了以下一些條件：

4.1具有足夠的強(qiáng)度和耐磨性，能夠滿足正常使用的需要。

4.2能夠耐受高溫，在冷卻水?dāng)嗨臉O限情況下，銅管壁溫度可能達(dá)到200℃，而聚四氟乙烯材料可以在250℃以下溫度時(shí)保證強(qiáng)度和性能不下降。

4.3成型性好，加工方便。

綜上所述，采用套管保護(hù)的方法在技術(shù)上是可行的，可作為管殼式換熱器的—種改進(jìn)設(shè)計(jì)方法加以參考。

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