管壳式换热器失效分析及解决措施

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管壳式换热器是石油、化工生产中广泛使用的换热设备,由于结构、使用条件的多样性,在使用过程中可能会发生多种形式的失效。针对管壳式换热器常见的失效形式,分析引起失效的原因, 提出预防及解决措施,并为管壳式换热器的设计、制造和使用提出建议。

在各种换热器中,钢制管壳式换热器以其结构坚固、可靠性高、适应性强等优点在换热器的生产和使用中一直占主导地位。但由于其结构的复杂性和使用条件的多样性,换热器常出现多种形式的失效。从结构上分析, 易发生失效的部位是管子和管板的连接处;从受力角度分析,筒体和管板的焊缝易引起失效;从使用条件分析,热应力或附加应力、工作介质的腐蚀性、换热管的振动等,都会造成换热器局部或整体失效。

1管子与管板的连接失效

根据换热器使用条件的不同,管子与管板的连接接头形式可分为胀接、焊接和胀焊并用三种。接头形式不同,失效形式也有差异。

111胀接

(1)机械胀接这种连接易使换热管产生过胀或欠胀,换热管内壁易产生加工硬化,换热管与管板的连接处在其整个连接的长度上应力分布不均匀。在温差变化和应力的作用下,只要有微小的加工缺陷,如管孔纵向划痕,腐蚀介质的微量侵入就会使换热管与管板的连接失效。若发现不及时,壳程冷却水渗入管程后,会引起大片管子与管板的连接失效,此时修复就比较困难。

(2)液压胀接液压胀接时管子不易产生过胀,胀接部位不产生窜动,管子与管板连接处在整个长度上的应力分布是均匀的。根据液压胀接原理及GB151- 1999规定,为保证胀接时管板与管束连接的可靠性,胀接时管板应开槽,槽间距和槽宽为8～9mm。这样,就使得管子与管板之间的胀接面积相对减少,管板的厚度必须加大才能保证连接可靠。而且,液压胀接对管孔及开槽的精度要求特别严格。由于管板孔加工是大批量生产,必须保证100%无缺陷才行。失效后若采用胀管修复,由于腐蚀凹坑的存在,易再次失效。

112焊接接头由于焊接接头热影响区附近的组织出现塑性变形,焊接易形成较大的残余应力和应力集中,使管子与管板连接接头处失效泄漏。因此施焊时须打磨管端,清理焊接区域的油、水、锈等污物以防止结点污染,控制焊接过程避免发生烧穿或未焊透等缺陷;采取焊前预胀以减小管子与管板孔之间的间隙;根据管板直径大小将焊接部位分成若干个区域,焊接时由中央开始以放射形在对角区域内按顺序焊接,以防止焊接变形和减小残余应力。

113胀焊并用这种连接方式实现了焊接和胀接的优势互补,具备抗反复热冲击及腐蚀、提高接头的抗疲劳性能和消除间隙腐蚀等优点。但是,胀焊并用时操作要求高,一般用于操作条件比较苛刻的场合。

GB151- 1999 标准中规定,对于设计压力小于等于4MPa、设计温度低于300℃的换热器,可采用胀接结构;对于振动较小和无间隙腐蚀的场合,可采用焊接结构;而对于密封性能要求较高,承受振动或疲劳载荷,有间隙腐蚀，采用复合管板的场合,应当采用胀焊结构。由此可见,单纯胀接或焊接结构的连接方式使用条件受到限制。由于胀焊并用结构能有效地阻尼管束振动对焊口的损伤、避免间隙腐蚀,并且比单纯胀接或焊接结构具有更高的强度和密封性,因而得到广泛应用。目前对常规的换热器通常采用贴胀+强度焊的模式;而重要的或使用条件苛刻的换热器则要求采用强度胀+强度焊的模式。

2管束失效

(1)管束腐蚀和腐蚀失效换热器的失效大多数是由腐蚀引起的。最常见的腐蚀部位是管子, 其受腐蚀的主要原因有:流体为腐蚀性介质;管内壁有异物积累而发生局部腐蚀;污垢腐蚀; 管内物料流速过大而发生磨蚀,流速过小则异物易附着管壁,造成电位差而导致腐蚀等。解决措施:合理选材,选择对介质适应的材料;定期清洗管束;在流体中加入缓蚀剂;选择适当流速; 在流体入口设置过滤装置和缓冲结构等。

(2)传热能力下降

在换热器运行过程中,若工作介质 (水) 的硬度较高, 或流体中含有颗粒物、悬浮物,冷却水中有藻类、细菌、泥沙等, 都会导致管束内、外壁严重结垢。随着污垢层的增厚, 传热热阻很快增大, 严重时污垢将会使工作介质的流道阻塞, 从而导致换热能力迅速降低。解决措施: 充分掌握易污部位、致污物质及污垢程度等有关情况, 进行定期检查; 当流体很容易结垢时, 必须采用容易检查、拆卸和清理的设备或结构。

(3)列管式换热器为了强化壳程传热和减小结垢,常采用提高壳程流体流速的方法。但壳程流体流速的提高往往导致管束的诱导振动, 换热器频繁开停也会导致管束的诱导振动。列管式换热器制造时, 为了使管束安装方便, 隔板上的孔内径比列管外径大, 这就不可避免地产生管子与隔板孔边缘反复碰撞的现象。当管子材料硬度低于隔板材料硬度时, 这种碰撞的结果就使得管子被磨损甚至被割断,最终使管束失效。

对于在线运行的换热器, 当出入口的条件稳定时,由振动产生的管磨损速率也是一定的。振动磨损率随管子与隔板孔之间间隙的增加而增加, 间隙与磨损率随时间增长而增大; 同时, 振动磨损量随管子振动频率及振幅的增加而增加, 振动磨损量的增加使得管子管壁变薄, 当壁厚无法满足强度要求时, 就会出现泄漏现象。解决措施: 在管壁磨损到最小壁厚前, 将隔板平移一定距离, 一般为 20～ 30mm , 使得磨损在新的位置上重新开始。通常, 对于换热器的隔板如果条件允许, 可以移位3～ 4 次, 这样就大大延长了管束的使用寿命。此外, 在流体入口前设置缓冲板, 减少脉冲; 适当缩短折流板间距, 增大管壁厚度和折流板厚度; 折流板上的管孔与管子采用紧密配合, 间隙不要过大; 相邻支撑板管孔有一定的偏心距等, 都可有效消除流体诱导振动。

(4) U形管式换热器

对于奥氏体不锈钢管束, 由于换热管冷弯时的塑性变形, 在U 形管弯管处外缘存在着较大的残余拉应力,同时U 形管下直管段及弯管处存在着较大的因温差产生的拉应力, 因此, U 形管束在某些区域具备了产生应力腐蚀的必要条件之一 (构件处于拉应力状态)。

从管束的工作环境来看, 一般水中的氯离子浓度小于 011ppm , 表面上看来并不具备产生应力腐蚀的条件, 但是考虑到水被不断蒸发, 其氯离子浓度会不断增加, 这就存在了产生应力腐蚀的可能性。经验告诉我们, 奥氏体不锈钢在含有 2ppm 的氯化物的水溶液中, 在温度小于 200℃的条件下, 即会发生应力开裂。因此管束具备了产生应力腐蚀的另一个必要条件。当材料处于拉应力情况下, 又与腐蚀介质相接触时, 经过一段时间后, 材料内部的微裂纹在拉应力及腐蚀介质的双重作用下扩展, 并发展到整个断面, 从而引起应力腐蚀开裂。

对于因应力腐蚀开裂引起的管束失效, 有如下几种预防及解决措施: 通过热处理消除和减少拉应力; 设计中选用低于临界应力腐蚀破裂强度的应力值; 改进设计结构, 避免应力集中; 管束表面施加压应力; 采用电化学保护、涂料或缓蚀剂等; 采用对应力腐蚀不敏感的材料, 如 0C r18N i12M o 2T i。

目前, 虽然管壳式换热器的发展取得了巨大进步, 但制约管壳式换热器安全长周期使用的关键问题仍有待于进一步研究。例如: (1) 长周期运行时的腐蚀与防腐问题以及防腐材料的研究。(2) 强化传热技术与传热元件的研究开发, 减少结垢、易于清洗, 以及进一步提高传热性能、流体力学性能和抗振性能的研究。(3) 研究更为可靠的制造方法, 以有效保证换热管与管板连接的质量。