管殼式換熱器失效分析及解決方法探究

龔 博，尉海晶，劉 瑞，仙笑笑

（潞安化工機(jī)械（集團(tuán)）有限公司，山西太原 030032）

0 引言

管殼式換熱器應(yīng)用的過程中如果出現(xiàn)失效問題，將會導(dǎo)致設(shè)備和系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性降低，不能確保與使用需求相符。因此在新時期的環(huán)境下，應(yīng)重點(diǎn)分析和研究管殼式換熱器的失效情況，采用合理的檢測方式查明失效情況，分析失效機(jī)理，按照具體的失效特征使用預(yù)防和防治措施，從根本層面降低失效問題發(fā)生率。

1 管殼式換熱器失效分析

管殼式換熱器是應(yīng)用非常廣泛的典型熱交換設(shè)備，因外形結(jié)構(gòu)穩(wěn)固、選材多樣性等優(yōu)點(diǎn)，具有很強(qiáng)的適應(yīng)性，目前廣泛應(yīng)用于各個行業(yè)和領(lǐng)域，例如水泥生產(chǎn)領(lǐng)域中所使用的稀油站油冷卻器設(shè)備、車輛發(fā)動機(jī)中所使用的油冷卻器設(shè)備等，都屬于管殼式換熱器。管殼式換熱器的堅(jiān)固性較高、可靠性很強(qiáng)、適應(yīng)性非常廣，隨著技術(shù)的創(chuàng)新改革與升級，制造技術(shù)水平與傳熱性能都有所提升。但是由于管殼式換熱器結(jié)構(gòu)本身非常復(fù)雜、應(yīng)用的環(huán)境具有多元性特點(diǎn)，很容易受到一些因素的影響出現(xiàn)失效的現(xiàn)象，如果不能嚴(yán)格預(yù)防甚至?xí)?dǎo)致整體設(shè)備報(bào)廢。而出現(xiàn)失效問題的原因主要有以下3 個。

1.1 結(jié)垢

設(shè)備經(jīng)過長時間應(yīng)用后如若管壁區(qū)域存在結(jié)垢的現(xiàn)象，傳熱性能就會降低，換熱介質(zhì)出口位置的溫度不能與設(shè)計(jì)工藝數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)相符，污垢會使管道的內(nèi)徑減小、流速增加，出現(xiàn)嚴(yán)重的壓力損失現(xiàn)象，最終引發(fā)設(shè)備失效問題。此情況下可以利用流量檢查方式、壓力檢測方式與溫度檢測方式等明確是否存在管壁結(jié)垢的現(xiàn)象，針對性去除結(jié)垢，降低失效問題發(fā)生[1]。

1.2 腐蝕磨損

換熱介質(zhì)與污垢等綜合作用下，會導(dǎo)殼體部分、管道內(nèi)部和外部表面出現(xiàn)腐蝕性磨損的現(xiàn)象，如果不能嚴(yán)格控制將會引發(fā)設(shè)備失效的問題。建議使用測厚儀設(shè)備檢測殼體結(jié)構(gòu)，從外部區(qū)域測定和評估腐蝕問題與減薄問題的位置，結(jié)合位置的情況針對性地做出處置，以避免發(fā)生失效問題[2]。

1.3 泄漏

管殼式換熱器在應(yīng)用的過程中，管道內(nèi)部可能會受到腐蝕因素或誘導(dǎo)振動因素的影響出現(xiàn)破裂，管端可能會在腐蝕作用、疲勞破壞作用下導(dǎo)致管路和管管相互連接的位置出現(xiàn)泄漏，導(dǎo)致整體設(shè)備的正常應(yīng)用受到不利影響，甚至還會出現(xiàn)失效的嚴(yán)重后果。此情況下可利用流體取樣的方式對管束的泄漏現(xiàn)象與破壞現(xiàn)象進(jìn)行全方位檢查，通過檢驗(yàn)檢查的技術(shù)手段及時發(fā)現(xiàn)泄漏可能引發(fā)的失效問題，做好相應(yīng)的處理工作，確保整體設(shè)備的良好運(yùn)行與應(yīng)用。

2 管殼式換熱器失效解決方法

管殼式換熱器的零部件數(shù)量很多，主要涉及管束、筒體、管板、折流板、法蘭、接管等部分，在各類工作狀況和介質(zhì)的影響之下都可能會出現(xiàn)不同程度的失效問題，而經(jīng)常出現(xiàn)失效現(xiàn)象的位置主要是構(gòu)件相互連接的部分，如管束和管板的連接位置、筒體和管板的焊接位置等都有可能引發(fā)失效問題，因此在日常的解決工作中需要按照不同位置失效問題，采用合理的預(yù)防手段，主要措施有以下4 個。

2.1 管束失效問題的解決

管殼式換熱器設(shè)備中管束失效問題的發(fā)生主要是由腐蝕現(xiàn)象所引起，尤其是換熱管、管板、換熱器封頭和接管等部分。出現(xiàn)腐蝕和磨蝕失效問題的原因是管束中存在腐蝕性特點(diǎn)的污垢，或是流體具備一定的腐蝕性特征，管束的內(nèi)壁部分存在異物，長時間積累的情況下出現(xiàn)局部腐蝕問題，也可能是管端有縫隙發(fā)生腐蝕。此類失效問題的預(yù)防應(yīng)安排專業(yè)的工作人員階段性對管束進(jìn)行清洗，合理選擇材料，在流體內(nèi)設(shè)置緩釋劑，在流體入口的位置設(shè)計(jì)過濾設(shè)備與緩沖設(shè)備，從根本層面預(yù)防發(fā)生失效的現(xiàn)象。

管殼式換熱器設(shè)備在實(shí)際應(yīng)用期間工作介質(zhì)具備硬度很高的特征，流體部分帶有懸浮物質(zhì)與顆粒物質(zhì)，會使管束內(nèi)壁和外壁出現(xiàn)非常嚴(yán)重的結(jié)垢現(xiàn)象。在污垢數(shù)量增多、層次增厚的情況下，傳熱的熱阻不斷增加，如果不能嚴(yán)格控制會導(dǎo)致介質(zhì)流道出現(xiàn)阻塞的問題，傳熱性能降低最終引發(fā)設(shè)備失效的現(xiàn)象[3]。為有效預(yù)防和應(yīng)對此類問題，應(yīng)在工作中全方位了解容易受到污染和出現(xiàn)結(jié)垢現(xiàn)象的位置，階段性開展檢查工作，如果已經(jīng)出現(xiàn)了結(jié)垢現(xiàn)象必須要經(jīng)常檢查、拆卸和清理，避免結(jié)垢問題對設(shè)備的正常運(yùn)行帶來影響。

重點(diǎn)預(yù)防和應(yīng)對管束泄漏問題帶來的影響，考慮到在介質(zhì)或是應(yīng)力間隙腐蝕、碰撞磨損等因素的影響下，管路可能會有輕微裂紋，如果出現(xiàn)了交變應(yīng)力或高拉應(yīng)力，裂紋就會不斷擴(kuò)展后出現(xiàn)泄漏。此情況下通常會使用堵管的方式應(yīng)急性修復(fù)，但是此類修復(fù)方式會導(dǎo)致管路堵塞以后溫差應(yīng)力增加，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)應(yīng)力腐蝕的速度加快，管路很容易會出現(xiàn)嚴(yán)重破壞性問題，使整體管束報(bào)廢。因此在實(shí)際工作中應(yīng)做好預(yù)防管束泄漏的工作，選擇材料符合標(biāo)準(zhǔn)、防腐性能和防損傷性能較好的管束，同時在工作期間降低拉應(yīng)力與振動問題造成的影響，一旦在設(shè)備運(yùn)行期間出現(xiàn)管束泄漏的現(xiàn)象需及時進(jìn)行管束的拆卸與更換，以免影響設(shè)備的正常運(yùn)行[4]。

2.2 連接失效問題的合理處理

換熱器設(shè)備運(yùn)行中的工作狀況和環(huán)境存在差異，管束與管板相互銜接的接頭位置可能是焊接形式、脹接形式或脹焊并用的形式，由于接頭的焊接措施不同導(dǎo)致失效問題的發(fā)生也存在差異性。一般情況下管束和管板之間會使用常規(guī)性的焊接方式銜接處理，大修過程中可以改變焊接形式，提升換熱管和管板相互的焊縫強(qiáng)度，避免發(fā)生失效的現(xiàn)象。例如，將之前的單面焊接模式轉(zhuǎn)變成為雙面焊接的模式；將管板部分和管束前端部分的平齊焊接結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變成為管束，伸出一定長度的角形焊接部分創(chuàng)建成專門的工裝形式，使管束和管板從之前的平放狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱⒎艩顟B(tài)；在變換熱管和管板前部分的位置使用垂直焊接的技術(shù)方式，這樣在一定程度上可以保證水平焊接的質(zhì)量能夠符合焊接技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求，通過改進(jìn)焊接技術(shù)和工藝模式的方式，保證可以有效預(yù)防發(fā)生失效的問題。

在連接失效問題解決的環(huán)節(jié)中還需分析換熱管與折流板相互連接位置的情況，一般情況下會在換熱管與折流板配合應(yīng)用的位置設(shè)置空隙，而在流體長時間的沖擊影響下，配合位置的空隙寬度會逐漸增加，折流板會對換熱管造成切割性影響，不僅會引發(fā)高振動力和大噪聲問題，還會出現(xiàn)泄漏，因此在工作中應(yīng)全面檢查折流板與換熱管相互之間配合位置的情況，一旦發(fā)現(xiàn)問題必須立即作出處置，保證折流板和換熱管相互連接的部分質(zhì)量與性能符合標(biāo)準(zhǔn)[5]。

2.3 筒體失效問題的解決

通常情況下管殼式換熱器設(shè)備在運(yùn)行期間，殼體部分與管束部分的工作環(huán)境處于相同的狀態(tài)，所以在筒體失效與殼體失效預(yù)防與解決方面可參照管束失效的解決措施，積極總結(jié)歸納豐富經(jīng)驗(yàn)，采用現(xiàn)代化、系統(tǒng)化的方式增強(qiáng)筒體應(yīng)用性能與效果，發(fā)揮不同措施和工藝技術(shù)的作用價值。

在解決與應(yīng)對問題的過程中，重點(diǎn)關(guān)注工作人員的專業(yè)能力和綜合素養(yǎng)，要求每位人員都具備一定的專業(yè)素質(zhì)，可以結(jié)合管殼式換熱器設(shè)備的特點(diǎn)與特征，運(yùn)用現(xiàn)代化的技術(shù)解決失效問題，保證設(shè)備的高質(zhì)量運(yùn)行。

2.4 U 形彎管失效問題的解決

管殼式換熱器設(shè)備中的不銹鋼管束中會應(yīng)用U 形管，其本身形態(tài)特點(diǎn)具備塑性變形的特征，應(yīng)用過程中很容易形成殘余拉應(yīng)力，主要原因就是兩個直管段的熱變形缺乏均勻度引發(fā)溫差應(yīng)力的現(xiàn)象。應(yīng)力疊加后會導(dǎo)致彎管位置拉應(yīng)力不斷增高，腐蝕介質(zhì)與設(shè)備運(yùn)行期間所形成的扭曲和彎曲振動力共同作用之下，會導(dǎo)致彎管的位置出現(xiàn)疲勞腐蝕損壞的現(xiàn)象，引發(fā)嚴(yán)重的設(shè)備失效后果。為解決此類問題應(yīng)確保熱變形吸收利用效果，結(jié)合設(shè)備的情況增加U 形管的牢度消除其中的殘余應(yīng)力；使用彎管特殊化技術(shù)處理方式使得流體進(jìn)入到設(shè)備的面積不斷增大，嚴(yán)格控制流速、降低激振頻率與激振力量；重點(diǎn)增加管壁的厚度，改善換熱管部件的耐磨性能，從根本層面避免在U 形彎管的影響之下發(fā)生設(shè)備失效的現(xiàn)象[6]。

3 結(jié)語

管殼式換熱器在應(yīng)用和實(shí)際運(yùn)行期間，經(jīng)常會受到很多因素的影響而出現(xiàn)失效問題，對整體設(shè)備的運(yùn)作和使用都會產(chǎn)生不利的影響。因此在管殼式換熱器應(yīng)用階段，必須要重點(diǎn)分析失效問題的原因和特點(diǎn)，合理使用解決措施，重點(diǎn)應(yīng)對管束失效問題、連接位置失效問題、筒體結(jié)構(gòu)失效問題與U 形管的失效問題，確保能夠改善設(shè)備和不同部件的應(yīng)用性能，降低失效現(xiàn)象的發(fā)生概率，從而增強(qiáng)整體設(shè)備的運(yùn)行有效性。