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管殼式換熱器失效分析及解決措施

文檔作者：孫勇文檔來源：徐州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院繼續(xù)教育學(xué)院		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時間： 2022年03月19日
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《化工裝備技術(shù)》第27卷第4期2006年 47
管殼式換熱器失效分析及解決措施
孫 勇
(徐州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院繼續(xù)教育學(xué)院)
摘 要 管殼式換熱器是石油、化工生產(chǎn)中廣泛使用的換熱設(shè)備， 由于結(jié)構(gòu)、使用
條件的多樣性，在使用過程中可能會發(fā)生多種形式的失效。針對管殼式換熱器常見
的失效形式，分析引起失效的原因，提出預(yù)防及解決措施，并為管殼式換熱器的設(shè)
計(jì)、制造和使用提出建議。
關(guān)鍵詞 管殼式換熱器 管子 管板 失效 腐蝕
在各種換熱器中，鋼制管殼式換熱器以其結(jié)構(gòu)堅(jiān)
固、可靠性高、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)在換熱器的生產(chǎn)和使用
中一直占主導(dǎo)地位。但由于其結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和使用條
件的多樣性，換熱器常出現(xiàn)多種形式的失效。從結(jié)構(gòu)上
分析，易發(fā)生失效的部位是管子和管板的連接處；從受
力角度分析，簡體和管板的焊縫易引起失效；從使用條
件分析，熱應(yīng)力或附加應(yīng)力、工作介質(zhì)的腐蝕性、換熱
管的振動等，都會造成換熱器局部或整體失效。
1 管子與管板的連接失效
根據(jù)換熱器使用條件的不同，管子與管板的連接
接頭形式可分為脹接、焊接和脹焊并用三種。接頭形式
不同，失效形式也有差異。
1．1 脹接
(1)機(jī)械脹接
這種連接易使換熱管產(chǎn)生過脹或欠脹，換熱管內(nèi)
壁易產(chǎn)生加工硬化，換熱管與管板的連接處在其整個
連接的長度上應(yīng)力分布不均勻。在溫差變化和應(yīng)力的
作用下，只要有微小的加工缺陷，如管孔縱向劃痕，腐
蝕介質(zhì)的微量侵入就會使換熱管與管板的連接失效。
若發(fā)現(xiàn)不及時，殼程冷卻水滲入管程后，會引起大片管
子與管板的連接失效， 此時修復(fù)就比較困難。
(2)液壓脹接
液壓脹接時管子不易產(chǎn)生過脹，脹接部位不產(chǎn)生
竄動，管子與管板連接處在整個長度上的應(yīng)力分布是
均勻的。根據(jù)液壓脹接原理及GB1 51—1999規(guī)定，為
保證脹接時管板與管束連接的可靠性，脹接時管板應(yīng)
*孫勇．男，1965年4月生。講師。徐州市．221006。
開槽，槽問距和槽寬為8～9mm。這樣，就使得管子與
管板之間的脹接面積相對減少，管板的厚度必須加大
才能保證連接可靠。而且，液壓脹接對管孔及開槽的精
度要求特別嚴(yán)格。由于管板孔加工是大批量生產(chǎn)，必須
保證100 無缺陷才行。失效后若采用脹管修復(fù)，由于
腐蝕凹坑的存在， 易再次失效。
1．2 焊接接頭
由于焊接接頭熱影響區(qū)附近的組織出現(xiàn)塑性變
形，焊接易形成較大的殘余應(yīng)力和應(yīng)力集中，使管子與
管板連接接頭處失效泄漏。因此施焊時須打磨管端，清
理焊接區(qū)域的油、水、銹等污物以防止結(jié)點(diǎn)污染，控制
焊接過程避免發(fā)生燒穿或未焊透等缺陷；采取焊前預(yù)
脹以減小管子與管板孔之間的間隙；根據(jù)管板直徑大
小將焊接部位分成若干個區(qū)域，焊接時由中央開始以
放射形在對角區(qū)域內(nèi)按順序焊接， 以防止焊接變形和
減小殘余應(yīng)力。
1．3 脹焊并用
這種連接方式實(shí)現(xiàn)了焊接和脹接的優(yōu)勢互補(bǔ)，具
備抗反復(fù)熱沖擊及腐蝕、提高接頭的抗疲勞性能和消
除間隙腐蝕等優(yōu)點(diǎn)。但是，脹焊并用時操作要求高，一
般用于操作條件比較苛刻的場合。
GB151—1 999標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定，對于設(shè)計(jì)壓力小于等
于4MPa、設(shè)計(jì)溫度低于300℃ 的換熱器，可采用脹接
結(jié)構(gòu)；對于振動較小和無間隙腐蝕的場合，可采用焊接
結(jié)構(gòu)；而對于密封性能要求較高，承受振動或疲勞載
荷，有間隙腐蝕，采用復(fù)合管板的場合，應(yīng)當(dāng)采用脹
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48 管殼式換熱器失效分析及解決措施
焊結(jié)構(gòu)。由此可見，單純脹接或焊接結(jié)構(gòu)的連接方式使
用條件受到限制。由于脹焊并用結(jié)構(gòu)能有效地阻尼管
束振動對焊口的損傷、避免間隙腐蝕，并且比單純脹接
或焊接結(jié)構(gòu)具有更高的強(qiáng)度和密封性，因而得到廣泛
應(yīng)用。目前對常規(guī)的換熱器通常采用貼脹+強(qiáng)度焊的
模式； 而重要的或使用條件苛刻的換熱器則要求采用
強(qiáng)度脹+強(qiáng)度焊的模式。
2 管束失效
(1)管束腐蝕和腐蝕失效
換熱器的失效大多數(shù)是由腐蝕引起的。最常見的
腐蝕部位是管子，其受腐蝕的主要原因有：流體為腐蝕
性介質(zhì)；管內(nèi)壁有異物積累而發(fā)生局部腐蝕；污垢腐
蝕；管內(nèi)物料流速過大而發(fā)生磨蝕，流速過小則異物易
附著管壁，造成電位差而導(dǎo)致腐蝕等。解決措施：合理
選材，選擇對介質(zhì)適應(yīng)的材料；定期清洗管束；在流體
中加入緩蝕劑；選擇適當(dāng)流速；在流體人口設(shè)置過濾裝
置和緩沖結(jié)構(gòu)等。
(2)傳熱能力下降
在換熱器運(yùn)行過程中，若工作介質(zhì)(水)的硬度較
高，或流體中含有顆粒物、懸浮物，冷卻水中有藻類、
細(xì)菌、泥沙等，都會導(dǎo)致管束內(nèi)、外壁嚴(yán)重結(jié)垢。隨著
污垢層的增厚．傳熱熱阻很快增大，嚴(yán)重時污垢將會使
工作介質(zhì)的流道阻塞，從而導(dǎo)致?lián)Q熱能力迅速降低。解
決措施：充分掌握易污部位、致污物質(zhì)及污垢程度等有
關(guān)情況，進(jìn)行定期檢查；當(dāng)流體很容易結(jié)垢時，必須采
用容易檢查、拆卸和清理的設(shè)備或結(jié)構(gòu)。
(3)列管式換熱器
為了強(qiáng)化殼程傳熱和減小結(jié)垢，常采用提高殼程
流體流速的方法。但殼程流體流速的提高往往導(dǎo)致管
束的誘導(dǎo)振動，換熱器頻繁開停也會導(dǎo)致管束的誘導(dǎo)
振動。列管式換熱器制造時，為了使管柬安裝方便，隔
板上的孔內(nèi)徑比列管外徑大，這就不可避免地產(chǎn)生管
子與隔板孔邊緣反復(fù)碰撞的現(xiàn)象。當(dāng)管子材料硬度低
于隔板材料硬度時，這種碰撞的結(jié)果就使得管子被磨
損甚至被割斷，最終使管束失效。
對于在線運(yùn)行的換熱器，當(dāng)出入口的條件穩(wěn)定時，
由振動產(chǎn)生的管磨損速率也是一定的。振動磨損率隨
管子與隔板孔之間間隙的增加而增加，間隙與磨損率
隨時間增長而增大；同時，振動磨損量隨管子振動頻率
及振幅的增加而增加，振動磨損量的增加使得管子管
壁變薄，當(dāng)壁厚無法滿足強(qiáng)度要求時，就會出現(xiàn)泄漏現(xiàn)
象。解決措施：在管壁磨損到最小壁厚前，將隔板平移
一定距離，一般為2O～30mm，使得磨損在新的位置上
重新開始。通常，對于換熱器的隔板如果條件允許，可
以移位3～4次，這樣就大大延長了管束的使用壽命。
此外，在流體入口前設(shè)置緩沖板，減少脈沖；適當(dāng)縮短
折流板間距，增大管壁厚度和折流板厚度；折流板上的
管孔與管子采用緊密配合，間隙不要過大；相鄰支撐板
管孔有一定的偏心距等，都可有效消除流體誘導(dǎo)振動
(4)U 形管式換熱器
對于奧氏體不銹鋼管束，由于換熱管冷彎時的塑
性變形，在u 形管彎管處外緣存在著較大的殘余拉應(yīng)
力，同時u形管下直管段及彎管處存在著較大的因溫
差產(chǎn)生的拉應(yīng)力，因此，u 形管束在某些區(qū)域具備了產(chǎn)
生應(yīng)力腐蝕的必要條件之一(構(gòu)件處于拉應(yīng)力狀態(tài))。
從管束的工作環(huán)境來看，一般水中的氯離子濃度
小于0．1ppm，表面上看來并不具備產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕的條
件，但是考慮到水被不斷蒸發(fā)，其氯離子濃度會不斷增
加，這就存在了產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕的可能性。經(jīng)驗(yàn)告訴我
們，奧氏體不銹鋼在含有2ppm的氯化物的水溶液中，
在溫度小于200℃ 的條件下，即會發(fā)生應(yīng)力開裂。因此
管束具備了產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕的另一個必要條件。當(dāng)材料
處于拉應(yīng)力情況下，又與腐蝕介質(zhì)相接觸時，經(jīng)過一段
時間后，材料內(nèi)部的微裂紋在拉應(yīng)力及腐蝕介質(zhì)的雙
重作用下擴(kuò)展，并發(fā)展到整個斷面，從而引起應(yīng)力腐蝕
開裂。
對于因應(yīng)力腐蝕開裂引起的管束失效，有如下幾
種預(yù)防及解決措施：通過熱處理消除和減少拉應(yīng)力；設(shè)
計(jì)中選用低于臨界應(yīng)力腐蝕破裂強(qiáng)度的應(yīng)力值；改進(jìn)
設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，避免應(yīng)力集中；管束表面施加壓應(yīng)力；采用
電化學(xué)保護(hù)、涂料或緩蝕劑等；采用對應(yīng)力腐蝕不敏感
的材料，如0Cr18N訂2Mo2Ti。
目前，雖然管殼式換熱器的發(fā)展取得了巨大進(jìn)步，
但制約管殼式換熱器安全長周期使用的關(guān)鍵問題仍有
待于進(jìn)一步研究。例如：(1)長周期運(yùn)行時的腐蝕與防
腐問題以及防腐材料的研究。(2)強(qiáng)化傳熱技術(shù)與傳熱
元件的研究開發(fā)，減少結(jié)垢、易于清洗，以及進(jìn)一步提
高傳熱性能、流體力學(xué)性能和抗振性能的研究。(3)研
究更為可靠的制造方法，以有效保證換熱管與管板連
接的質(zhì)量。
參 考 文 獻(xiàn)
l GB1 51一l999管殼式換熱器．
2 朱有庭，曲文海，于浦義主編．化工設(shè)備設(shè)計(jì)手冊．北
京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004．
3 顏惠庚，石庭瑞．換熱器的液袋式液壓脹接技術(shù)及其應(yīng)
用．化工機(jī)械，l998 (6)：31～33
4 郝俊文，李培寧，胡振倫．換熱器管板均勻脹接時適宜
開槽寬度的研究． 壓力容器，2001．18(4)：26~30
(收稿日期：2006—02—21)

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