分析管殼式換熱器失效形式及處理對策

鄧興成　張生旺　宋存元

摘 要：作為化工領域的重用換熱設備之一，管殼式換熱器發(fā)揮著重大的作用，并得到了廣泛的運用。但是由于商品時代物質速成這一特征的影響，使得換熱器會由于選材的不同，加工制造不合理，使用不當?shù)榷喾矫娴囊蛩氐挠绊?，換熱器實效的現(xiàn)象屢見不鮮。換熱器的失效，可能會給企業(yè)帶來不可估量的經濟損失，因此對管殼式換熱器失效原因、形式、及處理故障的分析很重要。由于換熱器內部運行的復雜性，使各種失效形式交錯連接并存在著一定的聯(lián)系和影響，造成各種實施措施不能夠和諧統(tǒng)一的進行。

關鍵詞：故障分析 失效形式 換熱器 敏感部位

中圖分類號：TQ05 文獻標識碼：A 文章編號：1007-3973（2013）005-027-02

隨著現(xiàn)代化建設的步法不斷的加快，作為石油企業(yè)化工領域的重用換熱設備之一，管殼式換熱器在發(fā)揮著重大的作用，并得到了廣泛的運用。但是由于商品時代物質速成這一特征的影響，使得換熱器會由于選材的不同，加工制造不合理，使用不當?shù)榷喾矫娴囊蛩氐挠绊?，換熱器實效的現(xiàn)象屢見不鮮。換熱器的失效，可能會給企業(yè)帶來不可估量的經濟損失，因此對管殼式換熱器失效原因、形式、及處理故障的分析很重要。本文將通過對管殼式換熱器在工程中的實際運用存在的問題進行分析，找出管殼式換熱器最容易失效的敏感部位，并通過對換熱器失效的形式、特征分析，闡述管殼式換熱器失效形式對應的處理方式。

1 常見的換熱器失效形式

敏感部位之一：換熱器管板和換熱管的連接處。

在換熱器管板和換熱管的連接處會出現(xiàn)幾何形狀的突變，加上外因等因素比如：管板與換熱管的連接不當、焊后處理不及時合理、兩者之間存在的溫差應力、板管和換熱管所選擇材料之間存在的差異性等，都會成為管板和管口連接處存在殘余應力、焊接部位出現(xiàn)隱形缺陷（焊接部位出現(xiàn)氣孔、及其他雜質）的原因。一旦受到殼程流體腐蝕性影響和誘導振動，都會使換熱管和管板的連接處出現(xiàn)振動疲勞破壞、連接縫隙腐蝕、應力腐蝕開裂等現(xiàn)象。這些問題交錯連接，共同作用會對連接處進一步的損壞，加快了連接處的損害速度，降低了連接處的使用壽命。

敏感部位之二：折流板和換熱管配合使用處的損壞。

由于使用功能的需要，為了使換熱管的熱膨脹量能夠被充分的吸收和使用，以及加工制造的方便，通常會在換熱管和折流板的配合使用處留下一定程度的空隙。由于殼流體長時間額沖擊，配合處的縫隙會不斷的增大，使折流板不斷的切割換熱管，在折流板的切割作用下設備不但會產生強大的振動噪音，還會引起換熱管的泄漏實效。同時配合處縫隙不斷的增大促使殼程流體內部的流動過程變進一步的復雜化，對換熱器的傳熱效率造成了重大的影響。

敏感部位之三：換熱器殼體、管板連接處損壞。

在換熱器的使用過程中，其殼體和管板都會受到較大的壓力荷載和溫差應力的長期作用。這將直接導致?lián)Q熱器殼體、管板連接處局部應力的形成。分析局部應力出現(xiàn)的原因有二：（1）換熱器殼體載荷的溫度較高，且徑向變形大。而管板恰恰相反，不僅載荷溫度低，變形小，同時由于管板的厚度較大對變形剛度的抵抗力較強，因此對與之相連接的換熱器殼體約束力較大。（2）由于換熱器殼體受到限制，使高溫載荷下的徑向膨脹也受到了一定的限制。加上其他因素的影響，發(fā)生斷裂損害的可能性很大?？傮w來說，對于上述結構局部應力形成的主要因素是：換熱器殼體和管板之間的溫度分布不均勻，管板較大剛度這一特征的存在。所以在日常的操作中，可根據(jù)實際的需要，在達到結構剛度要求的基礎上，可對管板的厚度進行適當?shù)慕档汀?/p>

敏感部位之四：U形彎管。

對不銹鋼管束的使用中，U形管自身的形態(tài)特征決定了它的塑性變形，在對其進行運用時會產生殘余拉應力。這是由于兩個直管段熱變形不均勻產生了溫差應力，應力之間相互疊加，促使彎管處拉應力的形成。在腐蝕性介質的參與下，加上換熱器工作過程中產生的扭曲振動和彎曲振動，很容易造成彎管處的疲勞腐蝕破壞，并且影響力很大。

敏感部位之五：小浮頭墊片出現(xiàn)泄漏。

溫差應力的存在是造成小浮頭墊片內漏的主要原因。在小浮頭墊片的使用過程中，由于溫差應力的存在使螺栓預緊力降低，同時小浮頭墊片自身不能進行自緊密閉，造成換熱器的使用實效?？偠灾斐尚「☆^墊片發(fā)生泄漏的主要原因就是，預緊過程中和溫差應力的作用下殘余應力的存在。

2 失效形式對應的處理措施

針對敏感部位一的處理措施：（1）在連接換熱管和板管時，可采用先焊后脹的方式來進行。運用機械液壓脹接處理連接處，同時要注意焊后的熱處理。通過對伸出管板的加長，能夠有效的降低操作困難。（2）由于不同材料在接觸時會產生電勢差，為避免這種情況的出現(xiàn)，在對材質進行選擇時，應當盡量滿足換熱管和板管材質的一致性。這一措施使殼程、管程存在的雙側腐蝕問題得到了有效的控制。還應注意到的一個問題是：管板的材質硬度要大于換熱管的，硬度差的存在可以使換熱管與板管實現(xiàn)最佳狀態(tài)的脹接。此外，對焊條的選擇也要根據(jù)實際需要認真篩選。

針對敏感部位二的處理措施：（1）在對換熱管的加工過程中，一定要使折流板和換熱管之間存在的縫隙最大限度的減小。（2）對折流板材料的選擇時，相對來說材質較軟的材料優(yōu)先，從而保護換熱管免受切割。（3）對換熱管的厚度進行合理的增加，增強換熱管的抗切割能力。（4）嘗試著在已有的縫隙里加入一些彈性較好的材料，增加熱膨脹吸收量的同時，有效的阻止了折流板對換熱管的切割。

針對敏感部位三的處理措施：以達到規(guī)定強度的要求為前提，合理的對管板的厚度進行降低。

針對敏感部位四的處理措施：（1）為了可以充分的吸收利用熱變形，可以適當?shù)募哟骍形管的撓度。（2）對殘余應力的消除，需要對彎管做特殊的技術處理。（3）使流體進入殼體的面積進一步的增大，同時合理的降低流速，達到減小激振頻率和激振力的目的。（4）管壁厚度的加大，可以使換熱管的耐磨性得到有效的提高。

針對敏感部位五的處理措施：（1）設備在運行過程中，要最大限制的控制其操作溫度和運行的壓力波動，這一操作步驟可以降低浮頭墊片的疲勞失效率。（2）對影響溫度的系數(shù)及原因進行認真的考慮后再實驗壓力進行確定和檢修。以避免高溫下墊片蠕變和應力松弛，造成密封比壓的降低，從而產生泄露現(xiàn)象。（3）在對螺栓進行選用時，盡量挑選強度低的螺栓。預緊力并不是一味的增大，否則將會引起配合部件的嚴重變形。相關的部件一旦變形，將會影響預緊力的形成，或迫使預緊力下降。（4）要根據(jù)實際的需要，選擇合適的墊片。一般來說，墊片的系數(shù)越低越好。

3 針對管殼式換熱器失效形式的詳細分析

對換熱器的一般失效形式進行分析后發(fā)現(xiàn)：失效的產生與選材、振動、腐蝕有著很大的關系。每一種失效形式的出現(xiàn)幾乎都離不開選材、振動和腐蝕。下文將分別對振動、腐蝕。選材進行詳細的分析。

3.1 振動

引起換熱器管束振動的主要原因是，殼程流體產生了誘導振動。一般來說，聲共鳴、紊流抖振、旋渦分離和彈性激振是管束振動產生的四種形式。這四種形式中最重要的一種是彈性激振。紊流抖振和旋渦分離在一定程度上促進了彈性激振的產生。因此對換熱器振動的研究的本質是對彈性激振的研究。在換熱器內部流動的流體，存在著“臨界流速”通常的作法是通過經驗半經驗法來確定的，隨著科學技術的不斷進步，相關學者研究出了參數(shù)多項式的運算方法，作為一種方便快捷的數(shù)值計算方法，參數(shù)多項式可參與對各種振幅下流體力做功的計算，根據(jù)阻尼穩(wěn)定性，求出平衡振幅得到動應力數(shù)據(jù)。參數(shù)多項式方法更適合工程的實際需要。預防管束振動的具體步驟如下：

（1）對開停工的管理順序要合理的制定，提高在線監(jiān)測質量，對各種運行條件要嚴格的控制。為了防止管束受到流體的直接沖撞，可以通過在流體入口處對分流器、防沖板等的設置，使流體的流速降低，從而使流體的脈動降低。

（2）避免管束振動的最直接有效的方法是，通過降低殼程內流體的流速，使誘導振動的頻率降低。但是這種方法會對傳熱效率有一定的影響。

（3）折流板間距的減小，折流板和管壁厚度的增加，以及換熱管和折流板之間的間隙盡量的減小是優(yōu)化結構設計的重要措施。這對管束固有頻率的增加起著重要的作用。

3.2 腐蝕

應力腐蝕開裂、腐蝕孔、均勻腐蝕是換熱器腐蝕的三種形式。這三種腐蝕形式的進行都與環(huán)境腐蝕、腐蝕介質、敏感材料有著密切的關系。均勻腐蝕雖然會對結構造成一定的破壞，但是可以的其破壞程度進行有效的控制，例如只需控制好換熱器的運行趨勢，便可減輕其對結構造成的危害。腐蝕孔的危害不存在預見性，作為腐蝕失效的最主要原因，在一定條件的作用下會形成自催化功能。當腐蝕拉力和腐蝕介質共同作用時，會促使應力腐蝕開裂的形成。很多事故也都是有應力腐蝕開裂造成的，雖然其危害性很大，但還是可以通過采取一定的措施來控制，比如對流體PH值、流速的控制等。

3.3 選材

對換熱器的加工和維修過程中，一定要根據(jù)實際需要進行選材。對于機械性能方面的特征，不應當只重視材料的韌性、強度等。應當全方面綜合考慮實際應用中環(huán)境因素對材料的影響，特別要注意的是不同材料的搭配使用要合理，最大限度的降低由于材質間存在的差別而造成的對整體結構的影響。

4 結語

本文通過對常見的換熱器失效形式、失效形式對應的處理措施、針對管殼式換熱器失效形式的詳細分析的探討，提出了在連接換熱管和板管時，可采用先焊后脹的方式來進行；最大限度的減小折流板和換熱管之間存在的縫隙；合理的對管板的厚度進行降低；適當?shù)募哟骍形管的撓度；控制運行壓力波動等方法。這些預防措施和治理方法對避免換熱器實效起著很重要的作用，但是由于換熱器內部運行的復雜性，使各種失效形式交錯連接并存在著一定的聯(lián)系和影響，造成各種實施措施不能夠和諧統(tǒng)一的進行。根據(jù)這一現(xiàn)狀，我們應全方位的考慮，從換熱器的選材到對其的加工制造、安裝、使用、老化、維修都要及時的采取有效的措施，保證換熱器的“安全、穩(wěn)定、高效”運行。

參考文獻：

[1] 徐洪濤，王慶明.基于Solidworks和Fluent的管殼式換熱器腐蝕分析與優(yōu)化[J]. CAD/CAM與制造業(yè)信息化，2010（12）.

[2] 李彥晴，陳亞平，陳偉，等.管殼式換熱器設計軟件開發(fā)[J].計算機工程與設計，2011（05）

[3] 段亞平.管殼式換熱器的換熱管強化傳熱技術淺述[J].應用能源技術，2010（04）.

[4] 羅朝陽.管殼式換熱器強化傳熱技術的研究與進展[J].化學工程與裝備，2010（10）.

[5] 邵俊甫，張強.換熱管與管板連接失效的原因及處理[J].石油和化工設備，2011（04）.

[6] 車達，白建濤.管殼式換熱器失效問題的探討[J].科技傳播，2010（20）.

[7] 趙石軍，黃英，張越.國產首臺超大型管殼式換熱器設計[J].一重技術，2010（05）.

[8] 展永亮，叢海.關于化工設備故障發(fā)生規(guī)律及預防策略研究[J].黑龍江科技信息，2011（19）.