板式換熱器板片的損壞原因和對策

李永哲，劉鎧，張奇

（吉林省四平地質(zhì)工程勘察院，吉林 四平 136001）

換熱設(shè)備是使熱量從熱流體傳遞到冷流體的設(shè)備，化工廠中換熱設(shè)備投資約占總投資的10%～20%，換熱設(shè)備主要作用是使熱量由高溫流體傳遞給低溫流體滿足工業(yè)流程需要。國內(nèi)使用換熱器多為列管與螺旋板換熱器，交換系數(shù)相差較大的介質(zhì)在管內(nèi)外進行熱量交換效率較低，雖然出現(xiàn)大量結(jié)構(gòu)緊湊高效的換熱器設(shè)備，但管殼式換熱器仍占據(jù)主導地位。新型焊接板式換熱器具有頂部溫差小費用低等優(yōu)點，適合在化工領(lǐng)域廣泛使用。板式換熱器板片薄傳熱效果好，傳熱系數(shù)k 值比管殼式換熱器提高3 ～5 倍，增減板片數(shù)量可滿足板式換熱器生產(chǎn)改變工藝條件的要求。板式換熱器使用中由于各種原因?qū)е掳迤p壞，需要分析板式換熱器板片損壞的原因研究有效處理對策。

1 板式換熱器研究

1.1 板式換熱器類型特點

換熱器是用于工業(yè)生產(chǎn)中熱量傳遞的重要設(shè)備，工作中可以充當生產(chǎn)工藝設(shè)備的組成部分，換熱器可用作加熱預熱器及轉(zhuǎn)發(fā)器等，近年來，對換熱器需求不斷加大促進產(chǎn)業(yè)市場的發(fā)展，目前節(jié)能高效成為工業(yè)生產(chǎn)中的重要方面，因此板式換熱器近年來得到了迅速發(fā)展，由于其緊湊性好等優(yōu)點在各領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。板式換熱器具有傳熱系數(shù)高，占地面積小與價格低等優(yōu)點，但目前我國板式換熱器研究設(shè)計水平相比國外存在很大差距，提高板式換熱器綜合性能是設(shè)計研究工作中需要解決的重要問題。

板式換熱器是由多個具有波紋形狀的金屬薄板相互平行方式堆疊組裝，冷熱流體在板片兩側(cè)交互流動，板式換熱器應(yīng)用廣泛種類眾多，根據(jù)外形包括焊接板式、板卷式與可拆卸板式換熱器等。焊接板式換熱器具有使用溫度范圍大等優(yōu)點因此在國內(nèi)外得到了開發(fā)應(yīng)用，主要形式有全焊接與板焊接式換熱器。全焊接板式換熱器組成部分包括換熱板片、折流板及副流體側(cè)嘴等部分，板片間通過縱向焊接焊縫相對固定，板束側(cè)面裝配四塊面板，板束上下壓板維持壓力使板束處于密封狀態(tài)，折流板安裝在板束上使流體改變流動方向。板片是板式換熱器主要傳熱元件，人們研發(fā)出多種波紋形狀板片，板片波紋形成板束的介質(zhì)流道通過板片進行換熱。

1.2 板式換熱器原理

板式換熱器是系列相互平行的薄金屬板相疊形成，冷熱流體在板片各自流道流動，釬焊時換熱器傳熱系數(shù)較高，銅釬焊板式換熱器是純度高于99%的銅箔材料在真空釬焊爐高溫作用下形成板式換熱器。板式換熱器主要換熱元件是金屬波紋板片，工業(yè)中廣泛應(yīng)用的波紋板片為人字形與水平平直波紋板片。人字形波紋板片傳熱效率高流動阻力大，流體在多變流道中流動消耗更多能量。隨著流速提高流體在流道內(nèi)阻力增長快，提高流速具有局限性。板式換熱器為熱分系數(shù)a 的提高依賴流體條件的改變，相鄰板片的間隙通常為2 ～8mm,組成的流道方向不斷改變，流體在流道流動遇到多次流向變化，低流速時激起強烈湍動，有效降低界面處液膜的熱阻，使流體在換熱器內(nèi)均勻分布。板片是板式換熱器的主要換熱元件，板片結(jié)構(gòu)決定其傳熱性能，需要研究換熱器板片優(yōu)化設(shè)計減少故障損壞保證設(shè)備正常運行。

1.3 板式換熱器的應(yīng)用

現(xiàn)有板式換熱器板片波紋以人字形最多，板式換熱器阻力較大成為限制其應(yīng)用的主要因素，許多學者采用可視化技術(shù)等手段掌握板式換熱器波紋傾角對傳熱性能的定量影響。板式換熱器是工業(yè)傳熱中的重要設(shè)備，隨著技術(shù)的進步，近年來，開發(fā)系列新型板式換熱器，適用范圍不斷擴大，促進生產(chǎn)量的提高。焊接型板式換熱器是余熱污水利用中的關(guān)鍵設(shè)備，近年來，因其質(zhì)量輕、運行成本低等優(yōu)勢受到了人們的關(guān)注。目前板式換熱器研究發(fā)展趨勢是強化傳熱性能，增大流體處理量，研制新型適用于腐蝕介質(zhì)板片提高工作壓力溫度。

2 板式換熱器失效故障分析

板式換熱器是通用的熱能動力機械設(shè)備，因其高效緊湊近年來得到了迅速發(fā)展。板式換熱器是用薄金屬換熱板片疊裝成的換熱設(shè)備，換熱器板片間形成許多小流通斷面流道，在相同流動阻力情況下傳熱系數(shù)高，各國學者在傳熱特性、結(jié)構(gòu)設(shè)計等方面開展大量研究工作，出現(xiàn)蒸發(fā)冷凝等多種用途板式換熱器。目前，國內(nèi)開發(fā)板片規(guī)格形式少，需要加強對板式換熱器的研究分析板片適用范圍。板式換熱器生產(chǎn)使用中由于多種原因?qū)е率?，需要系統(tǒng)總結(jié)板式換熱器失效故障原因，采取有效的處理措施。

2.1 板式換熱器失效形式

板式換熱器設(shè)計使用中由于密封結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理、壓緊操作不當?shù)仍虬l(fā)生泄漏等失效事故，換熱器存在結(jié)垢問題，板式換熱器流通截面積小易產(chǎn)生堵塞，板片腐蝕產(chǎn)生堆積造成堵塞失效。結(jié)構(gòu)堵塞導致?lián)Q熱面被污染，嚴重時導致阻力增大壓降過大。換熱器腐蝕大量普遍存在，金屬材料經(jīng)常在物理機械因素作用下產(chǎn)生破壞。機械產(chǎn)品零部件失效是損傷擴展到破壞的發(fā)展過程，失效形式有多種，失效分析是機械產(chǎn)品零部件使用中發(fā)生失效現(xiàn)象特征規(guī)律查找原因提出預防措施的技術(shù)管理活動。板式換熱器長期工作在高溫壓力環(huán)境中主要出現(xiàn)變形與腐蝕失效。

板式換熱器板片是由不銹鋼等材料薄板壓制，板片用模具壓制形成溝槽可增大剛度，板片組裝壓緊力過大橫向剛度不能抵抗塑性變形導致發(fā)生泄漏事故。板片兩側(cè)流體壓力差較大引起板片發(fā)生可恢復彈性變形，影響傳熱效果造成泄漏事故。密封墊片變形失效是橡膠墊片在夾緊力作用下發(fā)生永久壓縮變形。腐蝕是材料表面受周圍環(huán)境介質(zhì)化學作用使材料破壞現(xiàn)象，板式換熱器腐蝕主要是板片腐蝕，板片腐蝕以局部點縫隙與應(yīng)力腐蝕為主。換熱板片大多由不銹鋼薄板壓制，但鈍化膜破壞后發(fā)生腐蝕，局部腐蝕速度較快不易發(fā)現(xiàn)，板式換熱器出現(xiàn)腐蝕主要是應(yīng)力腐蝕破裂。板式換熱器縫隙腐蝕主要是發(fā)生在板片與密封墊間及垢層底部，縫隙內(nèi)耗盡形成氧濃度差電池造成腐蝕破壞，腐蝕擴展由于閉塞電池作用快速發(fā)展催化。應(yīng)力腐蝕是腐蝕與拉應(yīng)力作用造成材料破壞，應(yīng)力來源包括加工制造產(chǎn)生殘余應(yīng)力等，應(yīng)力腐蝕是板式換熱器主要腐蝕破壞形態(tài)。

2.2 板式換熱器失效故障原因

板式換熱器失效原因復雜，失效分析期限短工作效率要求高，大多數(shù)失效分析關(guān)鍵性試樣有限，需要有正確的分析思路得到正確結(jié)論。失效是材料的累積損傷過程，板式換熱器失效客觀規(guī)律是失效分析的理論基礎(chǔ)，失效分析思路是以失效規(guī)律為依據(jù)，通過觀察檢查獲得失效信息結(jié)合作為統(tǒng)一綜合分析，判斷失效事件類型原因。失效分析要有合理的程序，失效分析程序主要包括明確目標要求，現(xiàn)場取證及背景資料收集，失效件觀察檢測等。目前廣泛應(yīng)用的失效分析技術(shù)包括痕跡分析法與斷口分析技術(shù)。

板式換熱器設(shè)計制造中由于板片安裝不當、保養(yǎng)不及時等原因發(fā)生泄漏，應(yīng)力腐蝕破裂等失效事故。內(nèi)漏是壓力較高側(cè)介質(zhì)串如低壓側(cè)介質(zhì)中，常在檢查系統(tǒng)中壓力溫度出現(xiàn)異常時發(fā)現(xiàn)，泄漏事故主要由于密封失效引起，密封墊安裝與壓力溫度是影響密封失效的主要因素。目前，板式換熱器密封墊片材料有壓縮石棉纖維、聚四氟乙烯包覆防護橡膠等。板片安裝時，密封墊片用膠水粘在板片密封槽內(nèi)，密封墊片和密封槽對位必須準確。生產(chǎn)運行中因操作不當?shù)纫鸸ぷ鲏毫Σ▌樱斐伤矔r壓力陡增，使密封墊片位移導致密封失效泄漏。板式換熱器板片支承點處常發(fā)生點腐蝕，板片密封槽處常發(fā)生縫隙腐蝕造成介質(zhì)外漏。腐蝕是換熱器損壞的重要原因，金屬材料受周圍介質(zhì)作用在物理機械作用下產(chǎn)生破壞，化學腐蝕是金屬表面與周圍介質(zhì)發(fā)生化學反應(yīng)，電化學腐蝕是金屬材料與電解質(zhì)溶解接觸發(fā)生破壞。板式換熱器腐蝕主要是指板片腐蝕，應(yīng)力腐蝕破裂常發(fā)生在板片密封槽底部，大多由介質(zhì)氯化物引起，發(fā)生應(yīng)力腐破裂原因包括板片間支承點處易結(jié)垢，板片組裝后形成多縫隙結(jié)構(gòu)等。

3 板式換熱器板片的損壞原因和處理措施

某熱力供熱公司從熱能科技公司訂購板式換熱機組4 套，單獨板式換熱器2 臺，板式換熱機組停運后清洗板片發(fā)現(xiàn)有孔洞，通過板片基體進行化學分析，對裂紋部位進行顯微組織與能譜微區(qū)成分分析，得到板片產(chǎn)生裂紋原因，在介質(zhì)環(huán)境中具有的Na 離子與應(yīng)力作用下腐蝕增加。供暖季運行情況為換熱器水系統(tǒng)循環(huán)流程為一次側(cè)交換熱水上進下出，一二次系統(tǒng)各自密閉循環(huán)。換熱器二次循環(huán)水進行水壓力0.6MPa,二次循環(huán)出水壓力為0.59MPa。換熱器一次循環(huán)水進出壓力為1.48MPa,一次循環(huán)出水壓力為1.47MPa。

補水泵抽取補入二次系統(tǒng)，熱源首站向水中按100:1 加入高溫阻垢分散劑。城東換熱器站問題1#、2#、3#、4#板片4 片，城南新區(qū)換熱站問題板5#、6#片2 片，未投入使用板片換熱器7#板片1 片。送檢6 片問題板片存在類似問題，右側(cè)溝槽弧形凸棱邊緣對應(yīng)部位有寬窄不同的長條形缺陷，板片隨機分布不規(guī)則形狀孔洞，根據(jù)送檢板式換熱器板片缺陷分布特征針對問題板片解剖。一次循環(huán)水進水側(cè)人字形溝槽右側(cè)弧形凸棱邊緣條形缺陷較淺，不規(guī)則孔洞數(shù)量較多。一次循環(huán)水進水側(cè)人字形溝槽右側(cè)弧形凸棱邊緣對應(yīng)部位長條形缺陷嚴重部位3 處，不規(guī)則形狀孔洞數(shù)量較多。換熱器板片材質(zhì)為316L，檢測顯示板片材料成分符合《不銹鋼耐熱鋼化學成分》規(guī)定要求。對3#、6#板片做鋼中純凈度檢測，表明板片鋼中純凈度較高符合標準要求。

3#板片基體組織為變形奧氏體，晶粒度8.0 級，嚴重處a-相鐵素體面積含量達1.5 級。6#板片基體組織為變形奧氏體，奧氏體基體沿軋制變形方向分布a 相鐵素體。6#板片缺陷區(qū)掃描電鏡微區(qū)分析表明，中間大面積形成孔隙，孔壁沿晶腐蝕花樣呈平行條文狀，腐蝕孔周圍平面區(qū)域顯露腐蝕跡象，可見清晰紋理的腐蝕花樣?；w中發(fā)現(xiàn)有Na 等元素，最高處Na 含量達9.98%，換熱器板片局部區(qū)域產(chǎn)生嚴重孔隙腐蝕，腐蝕與所在部位應(yīng)力狀態(tài)相關(guān)。3#板片缺陷區(qū)掃描電鏡微區(qū)分析表明，孔邊播參差不齊，棱邊有唱片狀腐蝕坑，腐蝕程度較輕未形成孔隙。基體中發(fā)現(xiàn)Na 等元素，Na 元素最高處達※3.01%，換熱器板片局部區(qū)域產(chǎn)生長條形坑狀腐蝕損壞與所在部位應(yīng)力狀態(tài)相關(guān)。為防止板式換熱器失效事故發(fā)生，建議日常生產(chǎn)中嚴格檢測控制冷卻水中的Cl-濃度；板片腐蝕造成泄漏堵塞等失效事故，應(yīng)考慮材料抗介質(zhì)腐蝕能力，選用材料各成分含量要符合標準要求。板片密封槽設(shè)計要合理，減少密封失效引起泄漏事故，密封粘膠不采用含氯黏結(jié)劑。

4 結(jié)語

板式換熱器板片材質(zhì)分析表明材料成分符合316L不銹鋼要求；板片鋼中純凈度較高，板片顯微組織為變形奧氏體，基體上分布沿軋制變形方向分布a-相鐵素體；固溶處理時加熱不足產(chǎn)生。鐵素體與奧氏體電位不同，易形成微電池加劇點腐蝕。一次循環(huán)水進水側(cè)人字形溝槽右側(cè)溝槽弧形凸棱邊緣有寬窄不同長條形缺陷，板片上隨機分布不規(guī)則形狀孔洞。換熱器板片局部產(chǎn)生嚴重孔隙型腐蝕，由應(yīng)力腐蝕開裂產(chǎn)生。板式換熱器運行中水循環(huán)造成板片各部位產(chǎn)生作用應(yīng)力，膠墊邊緣對應(yīng)部位作用盈利較大，由于金屬表面與非金屬表面間連接處縫隙提供濃差電池腐蝕條件。充分了解板式換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計，正確選用維修可以保證設(shè)備可靠運行。