利用TRIZ分析列管換熱器泄漏原因與處理措施

李英利，陳 群，顏 康

(常州工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 常州 213164)

1 引言

換熱器是化工、石油、動力等許多工業(yè)部門的通用設(shè)備。目前應(yīng)用最廣泛的列管換熱器也稱管殼式換熱器與其它幾種間壁換熱器相比，具有制造容易、結(jié)構(gòu)簡單、設(shè)備堅固的特點，可用金屬材料或非金屬材料來制造。在石油石化單位中的溫度高、壓強(qiáng)大和尺寸大的裝置中大多采用管殼式換熱器。列管換熱器主要由殼體和折流板組成的殼程以及由管束、管板和封頭等部件組成的管程兩大部分構(gòu)成。列管換熱器泄漏是很多企業(yè)生產(chǎn)過程中經(jīng)常出現(xiàn)的問題之一，主要是管子的泄漏和密封墊子損壞造成的泄漏引起。當(dāng)列管換熱器發(fā)生泄漏時，一般分為內(nèi)漏和外漏兩種情況，不僅影響生產(chǎn)，還可能造成設(shè)備損害和工作人員的傷害事故。因此我們對導(dǎo)致管殼式換熱器泄漏的原因要加以仔細(xì)的分析。發(fā)生內(nèi)漏時，判斷較難一些，可以根據(jù)介質(zhì)的流量、壓力、溫度等參數(shù)顯示的異常，輔以設(shè)備的振動和異常聲音綜合加以判斷。如果發(fā)生外漏，檢查相對容易一些，可以用肥皂水等試驗是否發(fā)生泄漏。

而應(yīng)用TRIZ理論中矛盾矩陣的知識來解決實際工程問題時，包括上面提到的列管換熱器的泄漏問題，是非常有效的，一般采用以下16個步驟來進(jìn)行。

(1)技術(shù)系統(tǒng)的命名。本技術(shù)系統(tǒng)為冷熱流體的熱量交換系統(tǒng)。

(2)明確技術(shù)系統(tǒng)的主要功能。該熱量交換系統(tǒng)的主要功能是將溫度高的熱流體的熱量傳遞給溫度低的冷流體。

(3)分解技術(shù)系統(tǒng)?？蓪Q熱系統(tǒng)的設(shè)備分解為殼程和管程兩大部分稱之為子系統(tǒng)。殼程內(nèi)還可以細(xì)分為橫向安裝的折流擋板，殼體外側(cè)的殼程進(jìn)、出口接管，有的殼程內(nèi)還布置有縱向擋板，構(gòu)成多殼程。安裝縱向擋板，是為了使流體多次通過殼體空間，稱為多殼程。有的管程內(nèi)還布置有隔板，構(gòu)成多管程。為提高管內(nèi)流體速度，可在兩端管箱內(nèi)設(shè)置隔板，將全部管子均分成若干組。這樣流體每次只通過部分管子，因而在管束中往返多次，這稱為多管程。

(4)描述技術(shù)系統(tǒng)，關(guān)鍵子系統(tǒng)，零部件之間的相互依賴關(guān)系和作用。折流擋板是為了提高管外流體(也是走殼程的流體)的傳熱分系數(shù)。擋板可提高殼程流體速度，迫使流體按規(guī)定路程多次迂回曲折地橫向通過管束，增強(qiáng)流體的湍動程度。管箱內(nèi)設(shè)置隔板，則可以提高管內(nèi)流體的傳熱分系數(shù)。管程分為管板、管束，多根換熱管構(gòu)成的管束在管板上可按正三角形、轉(zhuǎn)角正三角形、正方形、轉(zhuǎn)角正方形、同心圓排列。其中正三角形排列時，優(yōu)點在于較緊湊，布置的管子數(shù)較其它方式為多，并且易于加工，管外流體湍動程度高，傳熱分系數(shù)大，缺點是不好清潔污垢，流體流動的阻力也較大；正方形排列則管外清洗方便，適用于易結(jié)垢的流體，但布置的管子數(shù)目較正三角形為少。

(5)定位問題所在的系統(tǒng)和子系統(tǒng)，對問題進(jìn)行準(zhǔn)確的描述。換熱器發(fā)生泄漏時，主要在管程內(nèi)漏或者殼程外漏。首先應(yīng)學(xué)會判斷是否發(fā)生泄漏。可觀察換熱器前后介質(zhì)的成分濃度的變化和換熱前后溫度的變化是否在正常范圍，并和以往的分析組成、溫度相對比，可以初步判定是否發(fā)生泄漏。例如異丁烷脫氫換熱器，原料進(jìn)料的異丁烷含量高，反應(yīng)后異丁烷基本轉(zhuǎn)化為異丁烯，由于原料壓力大于反應(yīng)系統(tǒng)壓力，所以如果換熱器泄漏可能表現(xiàn)為反應(yīng)后產(chǎn)物異丁烯含量明顯下降，換熱溫差變小，加熱爐燃料量下降等。而對于循環(huán)水水冷器一般通過水與介質(zhì)壓差判斷泄漏方向，如果介質(zhì)壓力變高，要對循環(huán)水排水或水池進(jìn)行觀察并及時檢測水質(zhì)；如果循環(huán)水壓力變高，則需要檢查后續(xù)系統(tǒng)或產(chǎn)物是否帶水等。再如，如硫磺冷凝冷卻器管束泄露，除氧水進(jìn)入液硫線，會導(dǎo)致硫磺凝固、液硫線堵塞，明顯是管子泄漏所致。

(6)定系統(tǒng)應(yīng)被改善的特性。主要為密封性能要加強(qiáng)，如選擇材質(zhì)好的密封墊；焊縫部分焊接質(zhì)量高。能夠使管程和殼程做到完全隔開，不使冷熱流體相混合，同時強(qiáng)化二者之間的傳熱，使冷熱流體換熱后的溫度達(dá)到要求。

(7)定系統(tǒng)被惡化的特性。當(dāng)溫度被改善后，裝置的可靠性是被惡化的特性。

(8)將(6)和(7)兩步驟確定的參數(shù)，用通用工程參數(shù)來描述。溫度是被改善的參數(shù)，裝置的可靠性是被惡化的參數(shù)。

(9)描述工程參數(shù)表示的矛盾。冷熱流體強(qiáng)化傳熱使溫度被改善時，換熱裝置可靠性變差。

(10)反向描述該技術(shù)矛盾。如果改善換熱裝置可靠性，則冷熱流體強(qiáng)化傳熱使溫度被惡化，由此可知這是一對技術(shù)矛盾。

(11)查阿奇舒勒矛盾矩陣表，確定發(fā)明原理。從矩陣表查找17和27對應(yīng)的方格，得到推薦的發(fā)明原理序號共4個，分別是：19，35，3，10。

(12)由序號查找發(fā)明原理匯總表，得到發(fā)明原理名稱。得到這4條發(fā)明原理依次是：19-周期性動作；35-物理/化學(xué)狀態(tài)變化；3-局部質(zhì)量； 10-預(yù)先作用。

(13)按照發(fā)明原理的名稱，查找發(fā)明原理的序號。發(fā)明原理序號共4個，分別是：19，35，3，10。

(14)逐個推敲每個原理在具體問題上如何應(yīng)用和實現(xiàn)。3較好，19，35，10也能提供對解決問題有幫助的積極想法。

(15)若發(fā)明原理均不適合，要再次定義工程參數(shù)和矛盾，重復(fù)應(yīng)用和查找矛盾矩陣。實際本系統(tǒng)不需要再次重復(fù)。

(16)最后得到理想的解決方案，進(jìn)入設(shè)計階段。最后得到原理3為最佳解決原理。

當(dāng)然這是細(xì)致的劃分，實際應(yīng)用時可以簡化為四個主要步驟，而將16個小步驟全部包含其中。下面就采用簡化的四個步驟進(jìn)行分析。

2 利用TRIZ理論探討列管式換熱器泄漏原因分析及處理措施

采用以下四個步驟[1]：

2.1 確定工程參數(shù)

這里列管換熱器的管程和殼程就是我們要研究的技術(shù)系統(tǒng)。管程泄漏大多情況發(fā)生在換熱管泄漏上，要分為管身泄漏和管口泄漏?？梢圆捎脷こ趟畨涸囼灮蛘邭こ贪睗B漏試驗來判斷，當(dāng)介質(zhì)滲漏不是從管頭而是從管內(nèi)，那基本可以判斷是換熱管泄漏了。發(fā)現(xiàn)泄漏了如何查找漏點？首先可以考慮在線查找，從低壓側(cè)采樣，看看有沒有高壓側(cè)的組份；二是切出看效果；三還是切出后在裝置現(xiàn)場解體打開封頭，并在管程加水試壓確定漏點。管子泄漏數(shù)不多時，如果是固定管板式，可利用立式鉆床將管頭焊縫清除，然后取出泄漏的換熱管，重新?lián)Q管，如果是U型管，則只能堵漏，用加工成圓錐形的堵頭將一根管子兩頭堵死，具體是在兩頭各用榔頭砸入一個圓錐型的塞子，再周邊焊死?？傊泄苁綋Q熱器在操作時，往往在實施強(qiáng)化傳熱措施比如增大流體的流量，增加管程數(shù)或者殼程數(shù)時，卻卻造成了換熱器的內(nèi)外泄漏。

由以上的分析我們不但發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)存的主要問題是：為了更好的傳熱，冷熱流體溫差較大會使傳熱推動力增大，利于強(qiáng)化傳熱，熱流體的溫度盡快下降和冷流體的溫度從速升高是我們所希望的，這是我們想要改善的特性。用通用工程參數(shù)中"17溫度"表示，即改善的參數(shù)。但是冷熱流體的溫度差異使會使殼體程和管程產(chǎn)生了較大的熱應(yīng)力，特別是溫差超過50℃以上時，其破壞力巨大，能使管子從管板上拉斷，甚至造成整臺換熱器的毀壞。這是被惡化的特性。用通用工程參數(shù)表示為"27可靠性"，即被惡化的參數(shù)。

2.2 查找阿奇舒勒矛盾矩陣

想要改善的參數(shù)：17溫度。被惡化的參數(shù)：27可靠性。從阿奇舒勒矛盾矩陣表中查找縱向17和橫向27交叉對應(yīng)的格子，得到4個推薦的發(fā)明原理序號，分別是：3，10，19，35，得到這4條發(fā)明原理依次是：3——局部質(zhì)量； 10——預(yù)先作用；19——周期性動作；35——物理/化學(xué)狀態(tài)變化。

2.3 發(fā)明原理的分析

3-局部質(zhì)量：使發(fā)生問題的局部構(gòu)件質(zhì)量得到較大提升?？赡艿脑O(shè)計是，在管束的制造過程中，對管端口和管板的局部結(jié)合處要進(jìn)行嚴(yán)格的質(zhì)量控制，以保證可靠性?？梢赃x用焊接法、脹接法、先焊后脹焊脹結(jié)合的方法。其中脹接對管板變形等影響小,但制造工藝復(fù)雜,承受壓力波動、溫度變化差,在常見管殼式換熱器應(yīng)用已逐漸減少。脹接加焊接結(jié)構(gòu)雖然克服脹接強(qiáng)度不夠和焊接存在應(yīng)力腐蝕、破裂等缺點,但制造工藝更加復(fù)雜,且在制造過程中脹接和焊接過程會相互影響,難控制制作質(zhì)量,成本高,僅用于特殊使用要求場合。而焊接因管板加工要求低,制造工藝簡便,有較好緊密性,應(yīng)用最為普遍。

泄漏發(fā)生以后的處理措施，也是改善局部質(zhì)量的措施具體分析如下。在發(fā)現(xiàn)換熱器管子有泄漏時要根據(jù)管子的損壞數(shù)量的多少采取下一步的措施。一般管子泄漏不多時用"堵"的辦法，多時用“換”的辦法。如對浮頭式換熱器，可以做一個"假帽子"，它是為了管束檢漏，堵漏，改造后的換熱器"大帽子"，相當(dāng)于封頭，但又不同于封頭。做的目的，是實現(xiàn)殼程密閉打壓，以露出兩端的管板，便于找漏堵管。參見圖1。此方案對問題的徹底解決最有效。

圖1 浮頭式換熱器堵漏

10——預(yù)先作用：事先完成部分或全部的動作或功能；或在方便的位置預(yù)先安置物體，使其在第一時間發(fā)揮作用，避免時間的浪費(fèi)。具體來說，制造換熱器過程中應(yīng)該選擇厚管板，以增加管板強(qiáng)度，同時保證和管束之間的安裝連接的密封和強(qiáng)度的各項要求，以使管程和殼程的流體完全隔開又不致泄漏。其次是在開工運(yùn)行上要嚴(yán)格遵循預(yù)先制定好的操作規(guī)程。開車前應(yīng)對壓力表、溫度計、安全閥、流量計、液位計和相關(guān)閥門等進(jìn)行的仔細(xì)檢查并確定是否完好。使換熱器開車平穩(wěn)運(yùn)行。通入熱流體前先要通冷流體，避免驟冷驟熱，以保證換熱器不受損壞。經(jīng)常檢查冷熱流體的進(jìn)出口溫度和壓力變化情況，發(fā)現(xiàn)異常要立即做出應(yīng)變，及時消除故障，防患于未然。此原理對問題的解決也有較大的貢獻(xiàn)。

19——周期性動作：管子發(fā)生周期性振動會造成管子局部

受損嚴(yán)重直到泄漏。管中流體流動會產(chǎn)生動態(tài)力作用在管子上，從而導(dǎo)致管子振動。目前有不少學(xué)者認(rèn)為管子振動的機(jī)理可歸納為如下四種：

a.旋渦脫落激振

管子表面周期性脫落的旋渦可產(chǎn)生周期性的流體力。若管子的固有頻率恰好和旋渦脫落頻率相同，便使管子共振。

b.湍流抖振

流體的極度紊流會誘發(fā)管子的振動。紊流漩渦使管子受到隨機(jī)的波動的作用力，會導(dǎo)致大幅度的管子振動。紊流不是引起管子振動的最主要原因，但是引起流體彈性激振的主要原因。

c.流體彈性不穩(wěn)定性

流體彈性不穩(wěn)定性是動態(tài)的流體力與管子的運(yùn)動相互作用的結(jié)果。當(dāng)氣體、液體、或氣液兩相流體流過管束時，最為常見并最具破壞性的是流體彈性不穩(wěn)定性。因此是激振機(jī)理中最重要的一個。

d.聲共振

一般聲共振只產(chǎn)生強(qiáng)烈的噪聲，對管子不會造成損害。但若旋渦脫落頻率同時與管子的固有頻率、聲頻一致時，則管子很快被破壞。

根據(jù)此原理我們要盡可能避免管子的振動，以避免可能引發(fā)換熱器管束的泄漏，因而對問題的解決也有貢獻(xiàn)。

35——物理/化學(xué)狀態(tài)變化：蒸汽冷凝和液體的沸騰也會使管子振動或者造成熱應(yīng)力。尤其是有氣液兩相流動存在的情況，會產(chǎn)生水擊等現(xiàn)象，造成管子或殼體的振動。此方案對問題的徹底解決貢獻(xiàn)較少，本文不作過多討論。

2.4 發(fā)明原理的應(yīng)用

綜合分析以上4條發(fā)明原理可知，局部質(zhì)量是對解決問題最有效果的發(fā)明原理，其次是預(yù)先作用原理、周期性動作原理和物理/化學(xué)狀態(tài)變化。焊接法、脹接法、先焊后脹焊脹結(jié)合的方法正是基于發(fā)明原理13“局部質(zhì)量”來進(jìn)行了設(shè)計改造管束與管板的連接的。從設(shè)備制造和工藝操作兩方面做好預(yù)防工作，也是有利于防止管口泄漏的方案。

3 總結(jié)

利用TRIZ矛盾矩陣?yán)碚搱A滿地分析解決了列管換熱器泄漏問題的原因和解決方案，值得其他工程應(yīng)用領(lǐng)域方面大力推廣此理論。

[1] 楊清亮.發(fā)明是這樣誕生的:TRIZ理論全接觸[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2006.