管殼式換熱器管束失效形式預防措施及在線檢驗方法

摘要 管殼式換熱器由于結構復雜和工況的多樣性，常引發多種形式的失效。本文闡述了管殼式換熱器常見的失效形式、失效的原因及預防措施，介紹了管殼式換熱器失效的在線檢測方法，為管殼式換熱器的設計、制造和使用提供借鑒。

關鍵詞：管殼式換熱器 管束 失效 預防措施

1.前言

鋼制管殼式換熱器以其結構堅固、可靠性高、適應性強和選材廣等優點而廣泛應用于石化生產行業。然而，由于結構的復雜性和使用工況的多樣性，也常常出現局部失效甚至整體報廢。某石化公司各生產裝置管束式換熱器每年故障及更換管束所花費就達數百萬元，而且影響裝置生產的平穩運行及環保達標。

2.管殼式換熱器管束失效形式及預防措施

管殼式換熱器的主要零部件包括筒體、換熱管、接管、管板、折流板、封頭等，在不同的工況和介質環境下，可能會發生多種形式的失效。從結構上分析，易發失效的部位是各構件間的連接處，如管子和管板的連接處；從受力角度分析，尤其是應力突變處易引起失效，如筒體和管板的焊縫處；從使用工況分析，頻繁地開停機而引起換熱管的流體誘導振動、由于高溫高壓而引起熱應力或附加應力、工作介質具有腐蝕性等，都會造成筒體、換熱管甚至整機失效。

2.1振動失效

殼程流體流速的提高及換熱器經常開停會導致管束的誘導振動，最終使管束失效。由于管束的支撐物——折流板的尺寸及布置不同，流體誘導振動的程度各異，具體的失效形式有：①碰撞破壞。當管束的振幅足夠大時，換熱管之間互相碰撞，管束外圍的換熱管與殼體內壁發生碰撞，使管壁磨損變薄，最終發生開裂；②折流板處換熱管切開。折流板孔和換熱管之間一般存在徑向間隙，換熱管的橫向振動會引起管外壁與折流板孔的內表面產生摩擦，如果折流板的厚度較小，就會對換熱器產生“鋸切”作用，在短時間內將換熱管“切開”發生局部失效；③疲勞失效。換熱管材料本身存在缺陷或者由于腐蝕和磨損產生了缺陷，在振動引起的交變應力作用下，位于主應力方向上的裂紋會迅速擴展，導致換熱管疲勞失效。

預防措施：①合理開停工。在流體入口前設置緩沖板，減少脈沖；②優化結構設計，減小折流板間距，增大管壁厚度和折流板厚度；③折流板上的管孔與換熱管采用緊配合，控制間隙；④改變支撐物形式，如折流板改為折流桿，有效消除流體誘導振動。

2.2腐蝕和磨蝕失效

腐蝕是管殼式換熱器主要失效形式。除了換熱介質本身的腐蝕性外，工作介質中的氧、氫、硫、氯等含量較高，殼體或換熱管存在拉應力，換熱管與管板之間存在縫隙等都會加重腐蝕，進而引起換熱器失效。腐蝕的形態主要有：均勻腐蝕、孔蝕、晶間腐蝕、應力腐蝕、沖蝕、縫隙腐蝕、氫腐蝕、雙金屬腐蝕八種類型。常見的腐蝕部位依次是換熱管、管板、換熱器封頭及小直徑接管。腐蝕和磨蝕失效的主要原因：①污垢腐蝕；②流體為腐蝕性介質；③管內壁有異物積累而發生局部腐蝕；④管內流速過大而發生磨蝕；⑤管端發生縫隙腐蝕等。

預防措施：①工藝介質具有酸堿性，在換熱器設計選材時就做了相應考慮，所以一般只會引起均勻腐蝕，不是腐蝕失效的主要原因。②氧腐蝕。換熱器多為碳鋼制造，冷卻水中溶解的氧所致的氧極化腐蝕極為嚴重。預防措施：對冷卻水盡可能除氧；采用鉻錳鋼等抗氧化腐蝕能力強的鋼材。③氫腐蝕。在高溫高壓臨氫環境下，金屬中的碳與氫發生反應生成甲烷氣體。另外，溶解在鐵晶格中的氫原子在低溫低壓下易聚集成氫分子。如果生成的氣體位于金屬深層，就會造成氫致開裂。預防措施：降低氫濃度。④硫腐蝕。硫主要以硫化氫的形式存在，硫化氫在有水分且濃度達到10ppm以上時，如果金屬材料硬度低于HB235，就可能產生硫化氫應力腐蝕，金屬失效形式也是氫鼓泡或氫致開裂。預防措施：提高金屬材料的強度，降低硫化氫的濃度。⑤應力腐蝕。應力腐蝕是金屬材料在拉應力和特定的腐蝕環境共同作用下，以裂紋形式發生的腐蝕失效。產生應力腐蝕的條件主要有三個：拉應力、特定的介質環境、特定成分組織的金屬。防止應力腐蝕的主要措施：消除拉應力，如對裝配應力可通過熱處理等方法加以消除；控制介質濃度和溫度；合理選材，如選用高純度鐵素體不銹鋼等材料來制造換熱管。⑥縫隙腐蝕：換熱器中由于兩構件接觸面存在很小的縫隙，介質進入到縫隙死角中，造成內外的介質濃度差，在電化學作用下發生縫隙腐蝕。如換熱管與管板之間的焊接處以及污垢的附著部位都會發生縫隙腐蝕。預防措施主要是減小縫隙、減小結垢等。

3.管殼式換熱器失效的在線檢測方法

3.1結垢

換熱器操作一段時間后，如果管壁結垢嚴重，則傳熱能力下降，換熱介質出口溫度達不到設計工藝參數要求。可通過定期檢查流量和壓力溫度等記錄來判定結垢情況進行處理。

3.2腐蝕和磨損

換熱介質、污垢、流體速度等都會使換熱器殼體和換熱管內、外表面產生腐蝕磨損。對殼體通常采用超聲波測厚儀或其他非破壞性測厚儀，從外部測定和估計會產生腐蝕、減薄的殼體部位。對換熱管在破裂錢腐蝕和磨損情況檢測方法是：對于非磁性體換熱管，最有效的診斷方法是采用渦流探傷，可測定換熱管壁厚減薄量，也可測得缺陷厚度。

3.3泄漏

換熱管中部由于腐蝕、誘導振動等原因發生破裂，管端由于腐蝕、高溫蠕變、疲勞破壞等原因使換熱管與管板的連接處泄漏，可通過低壓流體出口取樣分析其顏色、粘度、比重來檢測管束的泄漏和破壞情況。如果低壓介質為水或氣體，則通常采取就地排液的方法加以直觀判斷。

3.4振動

換熱管與泵、壓縮機共振，回轉機械產生的直接脈動沖擊，以及流體誘導振動等，可通過振動測試儀或由振動聲響來判斷振動情況。

4結束語

由分析可見，管殼式換熱器的失效與材料、結構、換熱介質及工況等多種因素有關，有時是幾種因素共同作用的結果。因此，在換熱器的選材、設計、制造、裝配和使用過程中要綜合考慮各種影響因素，防患于未然。

參考文獻

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