高效換熱器換熱管失效的原因及對策分析

＊

（青島蘭石重型機械設(shè)備有限公司 山東 266555）

1.換熱器概述

換熱器也被稱為熱交換器，顧名思義，就是對熱量進行置換的設(shè)備，也就是能夠?qū)崃黧w的部分熱量傳遞給有需要的冷流體的機器。換熱器在工業(yè)生產(chǎn)中能夠發(fā)揮較為重要的作用，應(yīng)用較為普遍和廣泛，尤其是在石油化工行業(yè)之中的應(yīng)用尤為廣泛，不僅能夠用作加熱器，還能夠被用作冷卻器、冷凝器等，用途極為多樣化。換熱器并不是只能將熱流體的熱量傳遞給冷流體，更準確來說，它是一種將不同溫度的物料進行熱量傳遞的設(shè)備，而且不限于兩種物料之間，多種也能實現(xiàn)，將熱流體的熱量傳遞給冷流體，使得流體的溫度能夠滿足實際的生產(chǎn)需求，還能夠最大限度地提高能源利用率，是有利于節(jié)能環(huán)保的重要設(shè)備之一。

2.換熱器在石油化工生產(chǎn)行業(yè)的具體應(yīng)用及作用

在經(jīng)濟社會快速發(fā)展的推動之下，我國石油化工等行業(yè)的發(fā)展十分迅速。而且因為其在社會生產(chǎn)生活中能夠發(fā)揮重要作用，其重要性也越發(fā)凸顯，為了更好地滿足社會生產(chǎn)發(fā)展的需要，就需要不斷提高石油化工工業(yè)的生產(chǎn)效率及質(zhì)量，因此，越來越多的現(xiàn)代化技術(shù)及設(shè)備儀器等被應(yīng)用在了石油化工的生產(chǎn)行業(yè)之中。其中就有換熱器的身影。因為換熱器有著極好的傳熱效果，能夠在工業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮重要作用，且其自身的優(yōu)勢及節(jié)能效果也是其他類似設(shè)備不能相比擬的，所以換熱器在石油化工產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用十分廣泛，而且也在發(fā)揮著極為重要的作，已經(jīng)成為了我國石油化工生產(chǎn)企業(yè)中不可或缺的重要設(shè)備。

其一，冷卻作用。高效換熱器能夠應(yīng)用于化工生產(chǎn)企業(yè)中作為冷卻設(shè)備使用，對于工業(yè)生產(chǎn)中的工藝物料進行冷卻。

其二，加熱作用。換熱器應(yīng)用于化工生產(chǎn)過程中時，還可以作為加熱工藝物料的設(shè)備，對于一般加熱要求的物料可以選擇用水蒸氣作為加熱介質(zhì)，而如果對于溫度的要求較高，用水蒸氣則效果較差，則需要用到導(dǎo)熱油作為加熱介質(zhì)。

其三，作為再沸器設(shè)備。換熱器作為再沸器使用時，多是被用來蒸發(fā)蒸餾塔里的物料。如果是熱虹吸式的再沸器，只需要利用液頭壓差的自然循環(huán)蒸發(fā)就可以達到工藝效果：而如果是動力循環(huán)式再沸器，則需要被用泵來實現(xiàn)其循環(huán)蒸發(fā)功效。

其四，作為分凝器使用。換熱器作為分凝器使用一般是用來對蒸餾塔頂?shù)奈锪线M行冷卻，或者用于反應(yīng)器的冷凝循環(huán)回流。換熱器被應(yīng)用于多組分的冷凝時一般會出現(xiàn)兩種情況，一種是最終的冷凝溫度相對于混合組分的泡點而言較高，在其中仍然有一部分未達到完全冷凝的效果，但是已經(jīng)符合了再一次進行分離的要求；另一種情況是針對含有惰性氣體的多組分物料進行的冷凝，最終冷凝溫度一般會降低到等于甚至低于混合組分泡點程度。

其五，作為蒸發(fā)器使用。換熱器在作為蒸發(fā)器使用時主要是應(yīng)用在對溶液中的水分以及溶劑進行蒸發(fā)。

其六，用作過熱器，也就是將其作為對飽和蒸汽進行再次加熱升溫的儀器。

其七，作為廢熱鍋爐使用，也就是利用換熱器對高溫物料或者廢氣中的熱量進行回收再利用，使其產(chǎn)生蒸汽用于工業(yè)生產(chǎn)中。

其八，作為純粹的換熱器使用，也就是用來對不同溫度之間的工藝物料進行熱量交換。

3.失效高效換熱器換熱管的檢查方法

(1)從宏觀角度入手進行檢查的方法

如果高效換熱器的換熱管出現(xiàn)失效的狀況，應(yīng)該先從宏觀的角度入手對其進行整體檢查，首先，要對換熱管內(nèi)外的表象進行詳細檢查，一般來說，失效的換熱管波紋短處的表面會有污垢的存在，而這些污垢會呈現(xiàn)出類似泥土的色澤，不僅如此，換熱管內(nèi)壁的表面也會存在著局部有較厚污垢的現(xiàn)象；其次，將發(fā)生失效狀況的換熱管進行取樣，選擇一段有著較明顯裂紋的管樣，將這段換熱管沿軸線進行剖開操作，對其內(nèi)外進行檢查分析，找到裂紋所在，通過觀察判斷出裂紋到底是發(fā)生在外壁還是內(nèi)壁，從而為更進一步地檢查分析提供依據(jù)。

(2)從微觀角度入手進行檢查的方法

微觀檢查的方法同樣需要先進行取樣，在取樣時一般是利用線來進行，從失效高效換熱器換熱管的斷口附近選取一段樣本，然后利用電鏡對其掃描觀察，并進行試樣，從而對裂紋進行進一步觀察，詳細分析其裂紋的延伸走向，有無二次裂紋，從而對換熱管斷口處的形貌進行判斷，分析總結(jié)出其具體的形貌特征。對裂紋的起裂位置進行更加精準地判斷。不僅如此，還需要對端口的起裂位置進行更加詳細地微觀檢查，檢查其表面是否存在腐蝕，及其具體的應(yīng)力作用特征。除此之外，還可以利用能譜分析的方法對失效換熱管斷口表面有覆蓋物的區(qū)域進行檢查，分析覆蓋物中的元素，從而利用這些元素來判斷腐蝕發(fā)生的條件。

(3)對材料進行分析的方法

與上述兩種方法類似，第一步需要對失效高效換熱器換熱管進行取樣，不同之處在于這種方法的取樣需要從不同部位進行多次取樣，然后對不同位置的樣本進行材料分析。其一是進行簡單的材料金相分析，也就是將裂紋在拋光的狀態(tài)下進行顯示，從而觀察其裂紋的擴展情況、有無二次裂紋及其具體表現(xiàn)等。其二則是利用4%的硝酸酒精溶液對金相樣本進行腐蝕，從而觀察其金相組織。如果此時產(chǎn)生的晶粒是軸狀的形態(tài)，而且能夠觀察到很明顯的大量變形痕跡，則可以根據(jù)塑性變形對性能的影響規(guī)律得出初步結(jié)論，即因為在安裝后需要對安裝前處于冷變形狀態(tài)的換熱管進行退火處理，導(dǎo)致其內(nèi)部含有殘余應(yīng)力，從而最終導(dǎo)致了裂紋現(xiàn)象的發(fā)生；而若是晶粒表現(xiàn)出了脆化的現(xiàn)象，那么就基本可以確定是因為高溫腐蝕從而導(dǎo)致了裂紋。

4.導(dǎo)致高效換熱器換熱管失效的原因分析

(1)材料因素導(dǎo)致的失效

材料自身的耐腐蝕能力弱是導(dǎo)致高效換熱器換熱管失效的原因之一。因為相對于應(yīng)力腐蝕這種狀況來說，保護膜會形成一定的有別于外界的環(huán)境，而保護膜本身是有著較強的耐腐蝕性的，但是材料卻不一定，在應(yīng)力與腐蝕的雙重作用下材料會極容易發(fā)生開裂現(xiàn)象。不僅如此，材料本身的耐腐蝕能力的高低還會因為在對其進行處理時采用的熱處理工藝及其自身纖維組織的不同而不同。

(2)應(yīng)力因素導(dǎo)致的失效

在造成高效換熱器換熱管失效的所有因素之中應(yīng)力是一個極為主要的原因。在高效換熱器中換熱管需要與管板進行連接，而在采取具體的連接時最普遍的方法便是脹接法，這種連接方式固然簡單有效，但是也會在換熱管內(nèi)壁之上留下較高水平的殘余應(yīng)力，一旦換熱管進行工作，在材料熱脹冷縮的特質(zhì)影響之下，如果受熱，就會有內(nèi)應(yīng)力從連接之處產(chǎn)生，那么在內(nèi)應(yīng)力及殘余應(yīng)力的共同作用之下材料的開裂也就是一種頻發(fā)的狀況。

(3)溫度因素導(dǎo)致的失效

在工業(yè)生產(chǎn)之中，尤其是在石油化工的生產(chǎn)之中，高溫環(huán)境是不可避免的，但是一些換熱管的溫度承受范圍卻是有一定限制的。所以，如果換熱管長期處于溫度過高的環(huán)境中時就會發(fā)生開裂。更何況，在高溫的環(huán)境中，一些其他的物質(zhì)也會發(fā)生變化，例如尿素溶液，它極有可能會發(fā)生結(jié)構(gòu)變化，產(chǎn)生出氰酸銨，這是一種具有較強腐蝕性的物質(zhì)，會對管壁產(chǎn)生腐蝕，從而導(dǎo)致?lián)Q熱管失效。

(4)介質(zhì)相因素導(dǎo)致的失效

因為高效換熱器換熱管常常需要處于特定的工作環(huán)境之中，所以介質(zhì)相的不同也會發(fā)生不同的狀況，一般而言，汽相條件下的應(yīng)力腐蝕度就強于液相環(huán)境，也就會增加換熱管斷裂的可能。

5.應(yīng)對高效換熱器換熱管失效的具體對策分析

(1)盡可能選用耐腐蝕性強的材料

材料因素是造成高效換熱器換熱管失效的主因之一，因此，需要再具體分析換熱管工作環(huán)境及條件的基礎(chǔ)上對其具體材質(zhì)進行嚴格選擇，盡可能選用那些具有高耐溫性及耐腐蝕性的材料。

(2)對所有應(yīng)用物料中的元素含量進行嚴格控制

一些化學(xué)元素在不同的環(huán)境中會產(chǎn)生不同的化學(xué)反應(yīng)，從而加劇換熱管的腐蝕狀況，因此要對應(yīng)用于換熱管及其環(huán)境中的物料的元素換量進行科學(xué)控制。其中最主要的是要對極容易受到氯離子應(yīng)力腐蝕的換熱管進行重點關(guān)注，嚴格控制脫鹽水中氯離子的含量，將氯離子濃縮現(xiàn)象的出現(xiàn)率降到最低。

(3)對換熱管的脹接工藝進行創(chuàng)新改進

換熱器中換熱管與管板的連接方式主要為脹接，也就是需要利用管板孔及換熱管自身的變形特質(zhì)來產(chǎn)生預(yù)緊力從而完成管口的緊固、密封，但是這種連接方式極容易產(chǎn)生換熱管開裂的現(xiàn)象。所以，要對傳統(tǒng)的脹接工藝進行改進，采取一定的措施來平衡換熱管與管板之間的接觸壓力，提高其應(yīng)對溫度變化的抗性。

(4)避免應(yīng)力集中

應(yīng)力集中就會造成換熱管的開裂，從而造成換熱器失效。所以，在進行相關(guān)操作時必須嚴格按照相關(guān)的工藝程序和標準來進行，將溫度、壓力的變化控制在最小的范圍內(nèi)；還應(yīng)該對氣體的分布器結(jié)構(gòu)進行科學(xué)設(shè)置，保證其運行的穩(wěn)定性，減少低周疲勞現(xiàn)象的發(fā)生；還可以通過改進結(jié)構(gòu)來協(xié)調(diào)脹接處的變形，盡可能降低熱應(yīng)力影響。