管殼式換熱器管束失效形式預防措施及在線檢驗方法

顏焱

(福斯特惠勒(河北)工程設計有限公司， 河北 石家莊 050000)

管殼式換熱器管束失效形式預防措施及在線檢驗方法

顏焱

(福斯特惠勒(河北)工程設計有限公司， 河北 石家莊 050000)

隨著現代化建設步伐的不斷加快，作為石油化工領域可重復使用的換熱設備之一，管殼式換熱器發揮重要作用，并得到了廣泛的應用。但由于商品時代的快速增長，這種材料的特點影響，使換熱器將因不同的材料選擇，加工制造不合理，使用不當等諸多因素的影響，換熱器效果現象并不少見。換熱器的失效會給企業帶來不可估量的經濟損失，因此分析管殼式換熱器的原因、形式及失效問題具有重要意義。本文介紹了管殼式換熱器的常見故障模式，故障產生的原因及預防措施，并介紹了管殼式換熱器的故障在線檢測方法，為設計提供參考，制造和使用的管殼式換熱器提供借鑒。

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1 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部件包括氣缸、傳熱管、管、管板、擋板、頭等，在不同的條件和介質環境中，可能會出現各種形式的故障。

(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，最后管束失效。由于管束和擋板的支撐的大小和布置，流體引起的振動的程度各不相同，并且具體的失效模式是：①碰撞損壞。當管束的振幅足夠大時，傳熱管相互碰撞，管束周圍的傳熱管與殼體內壁發生碰撞，使壁面磨損變薄，最終開裂；②擋板處的傳熱管被切斷。擋板孔與傳熱管之間有徑向間隙。傳熱管的橫向振動引起管外壁與擋板孔內表面的摩擦。如果擋板厚度小，加熱器產生“鋸切”效應，在短時間內傳熱管“切”局部故障；③疲勞失效。換熱管本身材料有缺陷或因腐蝕而磨損缺陷，在交變應力引起的振動中，主應力方向在裂紋方向上會迅速膨脹，從而導致傳熱管的疲勞失效。

預防措施：①合理開停機。②優化結構設計，減少折流板間距，增加墻的厚度和隔板厚度；③管上的擋板和一個緊密配合的傳熱管，控制間隙。

(2)腐蝕磨損失效 腐蝕是殼管式換熱器的主要失效形式。腐蝕的主要類型有：均勻腐蝕、點蝕、晶間腐蝕、應力腐蝕、腐蝕、縫隙腐蝕、氫腐蝕、雙金屬腐蝕八種類型。常見的腐蝕部位是換熱管、管板、換熱器頭和小直徑接管。腐蝕和磨損失效的主要原因：①土壤腐蝕；②液的腐蝕性介質；在局部腐蝕發生③管壁積累的異物；④管流量過大和磨損；⑤管端縫隙腐蝕等。

預防措施：①工藝介質的酸和堿，在換熱器的設計選型做了相應的考慮，所以一般只引起不均勻腐蝕，腐蝕失效的主要原因。②氧腐蝕。換熱器大多由碳鋼制成，溶解氧在冷卻水中產生的氧極腐蝕極為嚴重。預防措施：冷卻水盡可能的氧氣；使用鉻錳鋼和其他鋼的抗氧化腐蝕能力。③氫腐蝕。在高溫高壓氫環境中，金屬中的碳與氫氣發生反應生成甲烷氣體。此外，在低溫度和低壓力下，溶解在鐵晶格中的氫原子很容易聚集成氫分子。如果生成的氣體位于金屬深處，會引起氫裂解。注意事項：減少氫氣濃度。④硫腐蝕。硫主要以硫化氫的形式，水中的硫化氫和10ppm或更高濃度，如果低于hb235金屬材料的硬度，它可能產生硫化氫應力腐蝕，金屬失效是氫或氫致開裂。預防措施：提高金屬材料強度，降低硫化氫濃度。⑤應力腐蝕。應力腐蝕是指在拉應力和特定腐蝕環境共同作用下，金屬材料以裂縫形式腐蝕的過程。應力腐蝕主要有三個條件：拉伸應力、特定介質環境、金屬組織的特定成分。防止應力腐蝕的主要措施：消除拉應力，如裝配應力可以通過熱處理等方法消除；控制介質的濃度和溫度；合理選擇，如高純度鐵素體不銹鋼和其他材料的傳熱管制造使用。

2 管殼式換熱器故障在線檢測方法

(1)結垢 換熱器運行一段時間后，如果壁結垢嚴重，傳熱能力下降，傳熱介質出口溫度不能滿足設計工藝參數。通過定期檢查流量和壓力溫度記錄來確定結垢條件是可能的。

(2)腐蝕和磨損 傳熱介質、污垢、流體流速等都會使換熱器殼與換熱管、外表面的腐蝕磨損。外殼通常由超聲波測厚儀或其他非破壞性的量具，測量從外部和估計產生腐蝕，變薄的外殼零件。對于非磁性換熱管最有效的診斷方法是渦流檢測的使用，可以測量換熱器的壁厚減薄，而且還可以測量缺陷的厚度。

(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。

(4)振動 傳熱管與泵、壓縮機共振、旋轉機所產生的直接脈動沖擊、流體激振等，均可通過振動試驗機或振動測量來確定振動。

3 結語

這些預防措施和處理方法，避免了換熱器的有效性起著非常重要的作用，但由于該換熱器內部操作的復雜性，使故障交錯連接和一定的關系和影響有多種形式，產生了各種各樣的實施措施無法在一個和諧的統一的方式進行。根據這種情況，我們應從各個方面考慮換熱器的選擇，對其加工、安裝、使用、老化、維護等應采取及時有效的措施，確保換熱器“安全穩定、高效運行”。

[1]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).

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