淺談管殼式換熱器的泄漏與預(yù)防措施

馬璽坤 武春青 柏 慧

（1.青海黃河水電公司新能源分公司 西寧 810000）

（2.青海黃河上游水電開發(fā)有限責(zé)任公司 西寧 810000）（3.華東理工大學(xué) 機(jī)械與動力工程學(xué)院 上海 200237）

換熱器是在具有不同溫度的兩種或兩種以上流體之間傳遞熱量的設(shè)備。在工業(yè)生產(chǎn)中，換熱器的主要作用是使熱量由溫度較高的流體傳遞給溫度較低的流體，使溫度達(dá)到工藝流程規(guī)定的指標(biāo)，以滿足過程工藝條件的需要。換熱器是化工、煉油、動力、食品、輕工、原子能、制藥及其他許多工業(yè)部門廣泛使用的一種通用設(shè)備。在化工廠中，換熱器的投資約占總投資的10%～20%；在煉油廠中，該項(xiàng)投資約占總投資的 35% ～ 40%[1]。

管殼式換熱器是一種典型的間壁式換熱器，這種換熱器具有操作彈性大、結(jié)構(gòu)簡單堅固、制造方便、使用材料范圍廣、可靠程度高等優(yōu)點(diǎn)，是目前應(yīng)用最為廣泛的一種換熱器[2]。由于其在運(yùn)行過程中經(jīng)常會發(fā)生換熱器泄漏故障，不僅直接影響設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行，還會造成嚴(yán)重的安全事故，因此各換熱器制造和使用廠家都在積極探索換熱器防泄漏技術(shù)。有些研究人員從具體的換熱器泄漏事故中找到泄漏原因進(jìn)行了分析并提出應(yīng)對措施，從而提出了提高換熱管質(zhì)量、減少換熱管振動和在管束側(cè)進(jìn)行涂料防腐蝕處理的解決措施[3-6]。部分文獻(xiàn)還研究了換熱器的腐蝕原因及位置，并分析了不同防腐蝕涂料的利與弊[7-8]。

本文主要總結(jié)最典型的介質(zhì)是冷卻水的管殼式換熱器在發(fā)生泄漏時的狀況、位置及原因，并在設(shè)計、制造和操作等方面提出相應(yīng)的措施。

1 管殼換熱器發(fā)生泄漏的原因分析

1.1 發(fā)生泄漏的狀況

泄漏是導(dǎo)致管殼式換熱器發(fā)生故障的最常見原因之一，這種故障經(jīng)常導(dǎo)致整個裝置停車，泄漏的物料進(jìn)入系統(tǒng)管網(wǎng)還會影響到其他設(shè)備的安全運(yùn)行，同時也會嚴(yán)重危及工廠人員的人身安全。若不考慮設(shè)計制造和人為操作因素，管殼式換熱器泄漏主要有腐蝕泄漏和磨損泄漏兩種類別，泄漏的部位主要出現(xiàn)在換熱管和管板連接處、換熱管和折流板接觸處、換熱管彎頭處，泄漏的樣式主要有管壁減薄、管表面凹坑穿孔和管子縱向斷裂等。

1.2 發(fā)生泄漏的原因

●1.2.1 冷卻水水質(zhì)的影響

在工業(yè)生產(chǎn)過程中，設(shè)計人員普遍在換熱器中使用蒸汽加熱工藝介質(zhì)，或使用冷卻水來冷卻工藝介質(zhì)，工業(yè)用蒸汽一般都是去除氧、Ca2+和Mg2+等，是比較純凈的蒸汽，很少造成換熱器的腐蝕泄漏，而冷卻水多使用開放式冷卻塔循環(huán)水，有的甚至采用高硬度、高堿度地下水，所以一般腐蝕泄漏都是在循環(huán)水側(cè)。

除此之外，冷卻水在換熱過程中獲得熱量成為熱水，熱水回到冷卻塔與空氣接觸進(jìn)行交換冷卻，使水中溶解氧得到補(bǔ)充而處于飽和狀態(tài)，同時還會吸收空氣中大量的灰塵、泥沙等。然后，冷卻水在通過冷卻塔時水會被不斷蒸發(fā)，濃縮后鹽、各種礦物質(zhì)和金屬離子的含量都會有所增加，同時電導(dǎo)率也不斷上升，由此導(dǎo)致水中的碳酸氫鹽容易分解成垢。

由于在管道壁上易形成積垢，且介質(zhì)的溫度越高管道內(nèi)壁結(jié)垢的趨勢就越嚴(yán)重，長期結(jié)垢導(dǎo)致管道流量減小及管道堵通截面積變小，不僅造成管道兩端介質(zhì)壓力損失增大，而且水的流速減小會加劇管道結(jié)垢的趨勢，造成換熱效果的降低，同時誘發(fā)管道局部腐蝕、應(yīng)力腐蝕和垢下腐蝕，導(dǎo)致管壁穿孔從而引發(fā)泄漏[9]。

●1.2.2 管殼式換熱器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的影響

對于臥式管殼式換熱器，冷卻水出口在最高點(diǎn)，換熱管與管板連接處不存在死區(qū)，冷卻水可以完全流出；而對于立式管殼式換熱器，殼程冷卻水出口不在最高點(diǎn)，且出口與上管板之間是死區(qū)，死區(qū)內(nèi)的冷卻水不能完全流出，這導(dǎo)致?lián)Q熱管的端口相對其他部位要腐蝕得更為嚴(yán)重，若不凝氣體長時間停留在這個死區(qū)內(nèi)，將造成換熱管與管板連接處腐蝕泄漏。

折流板對換熱管管束有支撐和折流的作用，能夠提高換熱效率，但與此同時，換熱管穿過折流板板孔時，換熱管外壁與折流板孔之間存在縫隙，若殼程介質(zhì)為冷卻水，縫隙處則容易結(jié)垢，形成小的滯流區(qū)，導(dǎo)致縫隙腐蝕的產(chǎn)生。但若孔徑過大，換熱管在孔內(nèi)發(fā)生振動，管外壁與孔內(nèi)壁發(fā)生摩擦，磨損管壁的同時不斷破壞管外壁的氧化膜，會產(chǎn)生新的電化學(xué)腐蝕，加快換熱管腐蝕，直至換熱管斷裂。

●1.2.3 換熱管材質(zhì)不良的影響

換熱管表面若存在刮痕、凹坑、夾層和裂紋等缺陷，在使用過程中，若受到介質(zhì)高溫高壓下的沖擊，材料會形成裂變，若存在局部應(yīng)力交替則會形成開裂，另外還會發(fā)生氣蝕沖擊，這很容易造成管道涂層損壞和脫落，導(dǎo)致管道腐蝕穿孔。

2 管殼式換熱器泄漏預(yù)防措施

2.1 設(shè)計方面的預(yù)防措施

在根據(jù)工藝流程設(shè)計換熱器時，要求換熱器管程和殼程采用合適的流體介質(zhì)，如換熱器管程應(yīng)優(yōu)先選用不潔凈、壓力高、流速高、有毒的介質(zhì)，殼程應(yīng)優(yōu)先選用被冷卻、流量小、飽和蒸汽、相變介質(zhì)等，當(dāng)然，選取時會有矛盾的現(xiàn)象，要根據(jù)實(shí)際情況，考慮主要方面，去選取合適的流體。

換熱器的規(guī)格要與生產(chǎn)能力相匹配，否則會造成換熱器的泄漏或損壞。當(dāng)設(shè)備換熱能力過大時，冷卻水在換熱器內(nèi)流動速度緩慢，變熱的冷卻水更容易在管壁上結(jié)垢，發(fā)生垢下腐蝕，減短換熱器使用壽命；當(dāng)換熱能力過小時，冷卻水快速通過換熱器，冷熱介質(zhì)溫差較大，產(chǎn)生熱應(yīng)力，嚴(yán)重時會使換熱管與管板連接處發(fā)生損壞。

目前各制造廠通過提高換熱設(shè)備的金屬材質(zhì)等級或增加換熱管壁的厚度這些簡單的防腐措施來提高抗沖刷腐蝕能力，部分企業(yè)已經(jīng)采用了涂刷防腐層的措施，這些方法都可延緩換熱管的腐蝕泄漏。

2.2 制造方面的預(yù)防措施

在制造工藝上，制造前需對每根管子進(jìn)行水壓、探傷檢測，將帶有缺陷的管子剔除；加工制造過程中要盡量避免對管子的碰撞和刮蹭等傷害；在對折流板和管板開孔時，要保持一定的同心度、公差和粗糙度，開孔邊緣要進(jìn)行倒角圓滑處理；換熱管與管板一般選用強(qiáng)度焊加貼脹的焊接形式，貼脹時要優(yōu)先選用液壓脹機(jī)、合適的脹力和貼脹區(qū)間，并用均勻的脹力才可不損害管子，同時焊接時應(yīng)確保一定的焊角高度；裝配完畢的相關(guān)部件要進(jìn)行相應(yīng)的熱處理；設(shè)備整體水壓試驗(yàn)完畢后需完全吹掃干燥，以保護(hù)設(shè)備在儲存和運(yùn)輸過程中不被腐蝕。

對于折流板與換熱管的縫隙，可以采取填充物的方式進(jìn)行防腐，穿管前在孔內(nèi)安裝合適的柔性材料套管，換熱管穿過套管，孔壁與管壁之間的縫隙依靠套管填充，避免了污垢的聚集和腐蝕的產(chǎn)生，除此之外，還可采取噴涂防腐材料的方式將縫隙填充。

2.3 操作方面的預(yù)防措施

根據(jù)現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)，水流速度在0.5m/s以下時，速度越小，結(jié)垢趨勢越大，當(dāng)水流速度達(dá)到1m/s左右時，水垢、懸浮物等雜質(zhì)易被水流沖走，不易沉積，且會破壞氧化膜而加速腐蝕，所以，在滿足工藝要求的情況下，換熱器內(nèi)流體介質(zhì)應(yīng)盡量采用合適的流速，一般控制在0.6～1m/s為宜。

在換熱器開啟或者停工時，還要保證換熱器介質(zhì)的升溫率或者降溫率在規(guī)定范圍之內(nèi)；在換熱器停工檢修時，應(yīng)該對換熱器采取充水或充氮防腐的方法，還要對設(shè)備進(jìn)行排氣或排水，并定期排放冷卻水側(cè)的不凝性氣體，避免影響換熱效果，與此同時，還可以減緩不凝氣體對換熱管的腐蝕，若在條件允許的環(huán)境下，可以單獨(dú)配制一條高放空管道，將冷卻水側(cè)的不凝氣體連續(xù)排出。

在換熱器工作過程中要嚴(yán)格控制冷卻水添加藥劑的配比量，由于換熱器經(jīng)過長時間使用后，換熱管表面有不同程度的垢層，所以在停工檢修時還必須對管程或殼程進(jìn)行徹底清洗。

3 結(jié)論

本文主要針對管殼式換熱器的典型泄漏問題，綜述了管殼式換熱器在工業(yè)領(lǐng)域的作用及其使用現(xiàn)狀，并對其在實(shí)際生產(chǎn)中的泄漏表現(xiàn)、位置和原因做了相關(guān)分析。同時，結(jié)合管殼式換熱器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作原理，在設(shè)計、制造和操作方面提出行之有效的預(yù)防措施。這些失效情況以及對應(yīng)的預(yù)防措施有望為類似設(shè)備的運(yùn)行管理提供技術(shù)支持。

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