船用熱交換器常見故障分析

摘? 要：結(jié)合船舶管理實(shí)際，對(duì)船用熱交換器常見故障的種類、故障原因和故障的解決方案等進(jìn)行分析，從而為船用熱交換器管理提供經(jīng)驗(yàn)，保障船舶安全。

關(guān)鍵詞：熱交換器；故障；串液；傳熱效果；結(jié)垢；腐蝕

0? 引 言

為了遏制船用熱交換器故障問題給船舶的管理帶來麻煩及經(jīng)濟(jì)損失等，筆者結(jié)合在多年的工作實(shí)際中遇到的船用熱交換器故障問題來探討船舶常用船用熱交換器故障種類、原因分析及故障處理等，以便我們更好地管理船舶及節(jié)省費(fèi)用。

案例一：某輪主機(jī)滑油系統(tǒng)板式熱交換器由于冷卻板腐蝕產(chǎn)生穿孔，造成主機(jī)滑油與冷卻水串液引起冷卻水進(jìn)入主機(jī)滑油系統(tǒng)造成系統(tǒng)滑油變質(zhì)，最終更換整個(gè)系統(tǒng)滑油，造成經(jīng)濟(jì)損失。

案例二：某副機(jī)滑油系統(tǒng)管式熱交換器法蘭處密封圈老化失效引起兩種介質(zhì)互串泄漏造成副機(jī)滑油進(jìn)入中央冷卻水系統(tǒng)，給船舶管理帶來很大麻煩。

1? 熱交換器的定義

熱交換器（也稱作換熱器）是將熱流體的部分熱量傳遞給冷流體的設(shè)備，即在一個(gè)大的密閉容器內(nèi)裝上水或其他介質(zhì)，而在容器內(nèi)有管道穿過。讓熱介質(zhì)從管道內(nèi)流過。由于管道內(nèi)熱介質(zhì)和容器內(nèi)冷介質(zhì)的溫度差，會(huì)形成熱交換，高溫物體的熱量總是向低溫物體傳遞，這樣就把管道里介質(zhì)的熱量交換給了容器內(nèi)的冷介質(zhì)，從而使流體的溫度能夠滿足工藝條件的要求。

2? 熱交換器的分類與結(jié)構(gòu)

（1）熱交換器按用途分類可以分為：冷卻器、冷凝器、加熱器、換熱器、再沸器、蒸氣發(fā)生器、廢熱（或余熱）鍋爐。

（2）按換熱方式可以分為：直接接觸式換熱器（又叫混合式換熱器）、流體連接間接式換熱器、復(fù)式換熱器、間壁式換熱器。

按用途可分為：加熱器、預(yù)熱器、過熱器、蒸蓄熱式換熱器和發(fā)器。

按結(jié)構(gòu)可分為：浮頭式換熱器、固定管板式換熱器、U形管板換熱器、板式換熱器等。

下面主要介紹一下按換熱方式分類的常用船用熱交換器。

3 船用熱交換器常見結(jié)構(gòu)、故障現(xiàn)象、原因分析及處理方法

3.1 沉浸式蛇管換熱器

蛇管多以金屬管彎繞成各種與容器相適應(yīng)的形狀，并沉浸在容器內(nèi)的液體中，如圖1所示。常用于空壓機(jī)中壓縮空氣的冷卻器。

3.1.1? 兩種介質(zhì)互串（內(nèi)漏）

（1）產(chǎn)生原因：換熱管腐蝕穿孔、開裂。

（2）處理方法：①換熱管補(bǔ)焊；②更換漏的換熱管。

3.1.2? 傳熱效果差

（1）產(chǎn)生原因：①換熱管結(jié)垢；②冷卻水量不足及水質(zhì)不好、油污與微生物多。

（2）處理方法：①化學(xué)清洗或射流清洗垢污；②檢查、增加冷卻水量，加強(qiáng)水質(zhì)管理。

3.1.3? 阻力降超過允許值

（1）產(chǎn)生原因：殼內(nèi)、管內(nèi)外結(jié)垢。

（2）處理方法：用射流或化學(xué)清洗垢物。

3.2 管殼式換熱器

管殼式（如圖2所示），主要有殼體、管束、管板和封頭等部分組成，殼體多呈圓形，內(nèi)部裝有平行管束，管束兩端固定于管板上。在管殼換熱器內(nèi)進(jìn)行換熱的兩種流體，一種在管內(nèi)流動(dòng)，其行程稱為管程；一種在管外流動(dòng)，其行程稱為殼程。管束的壁面即為傳熱面。為提高管外流體給熱系數(shù)，通常在殼體內(nèi)安裝一定數(shù)量的橫向折流擋板（如圖3所示）。常作為燃油加熱器、設(shè)備冷卻器使用。

3.2.1? 兩種介質(zhì)互串（內(nèi)漏）

（1）產(chǎn)生原因：①換熱管腐蝕、磨損造成穿孔、開裂；②換熱管與管板脹口（焊口）裂開；③浮頭式換熱器浮頭法蘭密封漏。

（2）處理方法：①更換或堵死漏的換熱管；②換熱管與管板重脹（補(bǔ)焊）或堵死；③選用耐腐蝕性材料（不銹鋼、銅）或增加管束壁厚的方式；④保持流速穩(wěn)定提高了熱交換器換熱效果和降低了管束腐蝕及減少磨損，當(dāng)管的端部磨損時(shí)，可在入口200mm長(zhǎng)度內(nèi)接入合成樹脂等保護(hù)管束；⑤緊固螺栓或更換密封墊片。

3.2.2? 法蘭處密封泄漏

（1）產(chǎn)生原因：①墊圈承壓不足、腐蝕、變質(zhì)；②螺栓強(qiáng)度不足，松動(dòng)或腐蝕；③法蘭剛性不足與密封面缺陷；④法蘭不平或錯(cuò)位，墊片質(zhì)量不好。

（2）處理方法：①緊固螺栓，更換墊片；②螺栓材質(zhì)升級(jí)、緊固螺栓或更換螺栓；③更換法蘭或處理缺陷；④重新組對(duì)或更換法蘭，更換墊片。

3.2.3? 傳熱效果差

（1）產(chǎn)生原因：①換熱管結(jié)垢；②冷卻水量不足及水質(zhì)不好、油污與微生物多；③隔板短路。

（2）處理方法：①化學(xué)清洗或射流清洗垢污；②檢查增加冷卻水量，加強(qiáng)過濾、凈化介質(zhì)，加強(qiáng)水質(zhì)管理；③更換管箱墊片或更換隔板。

3.2.4? 阻力降超過允許值

（1）產(chǎn)生原因：殼內(nèi)、管內(nèi)外結(jié)垢。

（2）處理方法：用射流或化學(xué)清洗垢物。

3.2.5? 振動(dòng)嚴(yán)重

（1）產(chǎn)生原因：①因介質(zhì)頻率引起的共振；②外部管道振動(dòng)引起的共振。

（2）處理方法：①改變流速或改變管束固有頻率；②加固管道，減小振動(dòng)；③在流體的入口處安裝調(diào)整槽，減小管束的振動(dòng)。減小擋板間距，使管束的振幅減小。盡量減小管束通過擋板的孔徑。

3.3 管片式熱交換器

高溫增壓空氣流散經(jīng)散熱片，將熱量通過對(duì)流作用傳遞給冷卻管外壁，然后經(jīng)過壁的導(dǎo)熱作用傳給管內(nèi)壁，再由管內(nèi)水的對(duì)流作用把熱量帶走，以完成換熱過程。傳熱元件有：橢圓管方片、圓管圓片及圓管方片等幾種結(jié)構(gòu)形式。管與片的連接方式通常有： 釬焊式、整體軋制式和機(jī)械脹接式。冷卻管由脹管器將其兩端緊緊地脹接到管板上。側(cè)板作為空冷器的一部分，與管板用螺栓連接緊固。端蓋（即進(jìn)出水端蓋和回流水端蓋），作為循環(huán)水室，按設(shè)計(jì)的水流程數(shù)設(shè)置隔水筋。端蓋上裝有旋塞用于空冷器的放氣和排水。端蓋與管板間裝有密封墊并用螺栓將其緊固。端蓋、管板和冷卻管的材質(zhì)是根據(jù)冷卻水質(zhì)和設(shè)計(jì)水流速來選擇的。在船上用作主機(jī)、副機(jī)的空氣冷卻器、空調(diào)蒸發(fā)器等使用。

常見結(jié)構(gòu)、故障現(xiàn)象、原因分析及處理方法與管殼式換熱器類似。

3.4 板式換熱器

板式換熱器是由帶一定波紋形狀的金屬板片疊裝而成的新型高效換熱器，構(gòu)造包括墊片、壓緊板（活動(dòng)端板、固定端板）和框架（上、下導(dǎo)桿，前支柱）組成，板片之間由密封墊片進(jìn)行密封并導(dǎo)流，分隔出冷/熱兩個(gè)流體通道，冷/熱換熱介質(zhì)分別在各自通道流過，與相隔的板片進(jìn)行熱量交換，以達(dá)到用戶所需溫度，如圖4所示。板片波紋引起流體紊流并支撐板片承受差壓。每塊板片四角都有開孔，組裝成板束后形成流體的分配管和匯集管，冷/熱介質(zhì)熱量交換后，從各自的匯集管回流后循環(huán)利用，如圖5所示。板式換熱器常見故障有串液、外漏、壓降過大、供熱溫度不能滿足要求4個(gè)方面。船上常用作冷卻器、蒸發(fā)器（造水機(jī)上使用）。

3.4.1? 兩種介質(zhì)互串

（1）產(chǎn)生原因：①由于板材選擇不當(dāng)導(dǎo)致板片腐蝕產(chǎn)生裂紋或穿孔；②操作條件不符合設(shè)計(jì)要求；③板片冷沖壓成型后的殘余應(yīng)力和裝配中夾緊尺寸過小造成應(yīng)力腐蝕。④板片泄漏槽處有輕微滲漏，造成介質(zhì)中有害物質(zhì)濃縮腐蝕板片，形成串液。

（2）處理方法：①更換有裂紋或穿孔板片，在現(xiàn)場(chǎng)用透光法查找板片裂紋；②調(diào)整運(yùn)行參數(shù)，使其達(dá)到設(shè)計(jì)條件；③換熱器維修組裝時(shí)夾緊尺寸應(yīng)符合要求，并不是越小越好；④板片材料合理匹配。

3.4.2? 外 漏

（1）產(chǎn)生原因：①夾緊尺寸不到位、各處尺寸不均勻（各處尺寸偏差不應(yīng)大于3 mm）或夾緊螺栓松動(dòng)；②部分密封墊脫離密封槽，密封墊主密封面有臟物，密封墊損壞或墊片老化；③板片發(fā)生變形，組裝錯(cuò)位引起跑墊；④在板片密封槽部位或二道密封區(qū)域有裂紋。

（2）處理方法：①在無壓狀態(tài)，按制造廠提供的夾緊尺寸重新夾緊設(shè)備，尺寸應(yīng)均勻一致，壓緊尺寸的偏差應(yīng)不大于±0.2N （mm）（N 為板片總數(shù)），兩壓緊板間的平行度應(yīng)保持在2 mm 以內(nèi)；②在外漏部位上做好標(biāo)記，然后換熱器解體逐一排查解決，重新裝配或更換密封墊片和板片；③將開換熱器解體，對(duì)板片變形部位進(jìn)行修理或者更換板片，在沒有板片備件時(shí)可將變形部位板片暫時(shí)拆除后重新組裝使用，④重新組裝拆開的板片時(shí)，應(yīng)清潔板面，防止污物黏附著于墊片密封面。

3.4.3? 壓降過大

（1）產(chǎn)生原因：①運(yùn)行系統(tǒng)管路未進(jìn)行正常吹洗，系統(tǒng)管路中許多臟物（如海生物等）進(jìn)入板式換熱器的內(nèi)部，由于板式換熱器流道截面積較窄，換熱器內(nèi)的沉淀物和懸浮物聚集在角孔處和導(dǎo)流區(qū)內(nèi)，導(dǎo)致該處的流道面積大為減小，造成壓力主要損失在此部位；②板式換熱器首次選型時(shí)面積偏小，造成板間流速過高而壓降偏大；③板式換熱器運(yùn)行一段時(shí)間后，因板片表面結(jié)垢引起壓降過大。

（2）處理方法：①清除換熱器流道中的臟物或板片結(jié)垢，根據(jù)實(shí)際情況定期清洗；②二次循環(huán)水最好采用經(jīng)過軟化處理后的軟水，一般要求水中懸浮物質(zhì)量濃度不大于5 mg／L、雜質(zhì)直徑不大于3 mm、pH≥ 7。當(dāng)水溫不大于95℃時(shí)，Ca 、Mg 濃度應(yīng)不大于2 mmol／L；當(dāng)水溫大于95℃ 時(shí)，Ca 、Mg 濃度應(yīng)不大于0．3 mmol／L、溶解氧質(zhì)量濃度應(yīng)不大于0．1 mg／L。

3.4.4? 供熱溫度不能滿足要求

（1）產(chǎn)生原因：①一次側(cè)介質(zhì)流量不足，導(dǎo)致熱側(cè)溫差大，壓降??；②冷側(cè)溫度低，并且冷、熱末端溫度低；③并聯(lián)運(yùn)行的多臺(tái)板式換熱器流量分配不均；④換熱器內(nèi)部結(jié)垢嚴(yán)重。

（2）處理方法：①增加熱源的流量或加大熱源介質(zhì)管路直徑；②平衡并聯(lián)運(yùn)行的多臺(tái)板式換熱器的流量；③拆開板式換熱器清洗板片表面結(jié)垢。

3.4.5? 板式冷卻器拆、裝注意事項(xiàng)

（1）檢修前在板片組外表面上畫一條對(duì)角線進(jìn)行標(biāo)記，測(cè)量并記下尺寸A（標(biāo)準(zhǔn)的A值可以從設(shè)備完工圖中查找），見圖6、圖7。

（2）打開換熱器時(shí)：按對(duì)角順序松開螺栓，固定板和壓緊板要保持平行，壓緊板傾斜的水平寬度必須小于10 mm（每個(gè)螺栓2轉(zhuǎn)），垂直高度必須小于25 mm（每個(gè)螺栓5轉(zhuǎn)）。

（3）通過在上導(dǎo)桿上滑動(dòng)壓緊板打開板片組。通常不需要拆卸板片來對(duì)其進(jìn)行清潔，板的順序不要輕易改變。

（4）裝復(fù)時(shí)，仔細(xì)檢查所有密封面是否清潔。將密封墊安裝到板片上并檢查所有密封墊是否已正確安裝及是否已安放到槽中的適當(dāng)位置。

（5）如果板片已拆下，請(qǐng)交錯(cuò)插入板片，并使密封墊按照板片懸掛列表中的規(guī)定朝向固定板或壓緊板。使用在打開換熱器時(shí)標(biāo)記的線。.如果達(dá)到尺寸A 時(shí)換熱器未密封，則通過將尺寸A 減少0.5%將板片組進(jìn)一步擰緊。

（6）密封墊老化判斷：外觀檢查板式換熱器時(shí)，外部的密封墊存在大面積的龜裂痕；換熱器板片外表有液體漏泄的痕跡；特別在換熱器冷機(jī)時(shí)，漏泄更明顯；拆檢時(shí)，檢查密封墊的彈性，并堅(jiān)持是否彎曲時(shí)有明顯的老化現(xiàn)象—龜裂；高溫工況及頻繁拆開的換熱器密封墊的壽命會(huì)縮短。

4 結(jié)束語(yǔ)

為確保船上換熱器的正常使用，輪機(jī)主管人員應(yīng)熟悉船上各換熱器的特性，對(duì)設(shè)備做到勤檢查、勤養(yǎng)護(hù)、勤記錄，針對(duì)遇到各類故障問題，應(yīng)根據(jù)具體故障細(xì)節(jié)進(jìn)行分析及時(shí)解決問題，保證我們的船舶營(yíng)運(yùn)安全。

參考文獻(xiàn)

[1] 陳孫藝.熱交換器密封技術(shù)與失效影響因素[J].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2022.6.

[2] AIFA LAVAL? MA30 使用說明書

作者簡(jiǎn)介

林興，13405900083，（E-mail）lx13405900083@163.com