管殼式換熱器故障與檢修

劉金麗，蘇顯勇

(兗礦煤化工程有限公司，山東 鄒城 273500)

在化工生產中，換熱器是非常重要的一種設備，其中管殼式換熱器因其結構比較簡單，操作可靠，能在高溫、高壓下使用，材料范圍較廣，在化工生產裝置中得到了廣泛的使用。

1 管殼式換熱器的特點

管殼式換熱器又稱列管式換熱器，是目前生產中最為廣泛使用一種換熱設備。管殼式換熱器常用的型式有固定管板式、浮頭式和“U”型管式。

1.1 固定管板式換熱器

固定管板式換熱器主要由外殼、管板、管束、封頭等部件組成。殼體中設置有管束，管束的兩端采用焊接、脹接或脹焊。固定管板式換熱器結構簡單、造價低，管程清洗檢修方便，但殼程清洗較困難，管殼之間存在溫差應力。當管程中換熱管與殼體存在較大溫差時，殼體上還應增設膨脹節來降低應力。固定管板式換熱器適用于殼程介質較清潔、結垢少、溫差小和殼程壓力較低的場合。

1.2 浮頭式換熱器

浮頭式換熱器主要由殼體、換熱管束、浮頭、外接管、連接件、膨脹節等組成，其一端管板固定在殼體與管箱之間，另一端可以在殼體內自由移動，即殼體和管束熱膨脹時可自由調節，故管束和殼體之間沒有溫差應力。浮頭式換熱器可以用在管束和殼體有較大溫差的工況，尤其適用于石油化工等高溫高壓的換熱裝置中。換熱管和換熱器殼體的清洗檢修方便，但其結構復雜，對密封件的要求較高，造價較高。

1.3 “U”型管式換熱器

將換熱管彎成“U”型，兩端固定在同一管板上即為“U”型管式換熱器。由于殼體和換熱管分開，換熱管束可以伸縮自由，不會由于介質的溫度差異而產生溫差應力。管束可以自由的抽出和裝入，方便清洗，同時具有浮頭式換熱器的優點。但是，由于換熱管做成各種不同半徑的“U”型彎，雖然最外層的換熱管損壞后可以更換，但其他管件損壞卻只能堵管。而且，與固定管板式換熱器相比，它的管束中心部分存在空隙，很容易影響流體走向，影響傳熱效果。“U”型管式換熱器主要用于管內清潔卻不容易結垢的高溫、高壓介質。殼程介質適應性強，常用于高溫高壓、黏度大的場合。

2 管殼式換熱器故障分析

管殼式換熱器的故障主要表現在換熱器泄漏和傳熱效率降低兩方面[1-6]。

2.1 換熱器泄漏原因分析

2.1.1 腐蝕

以碳鋼制作而成的換熱器受腐蝕性問題較為突出。管殼式換熱器的管板和列管的連接是由手工電弧焊制而成的，這種特性導致其焊縫經常出現腐蝕現象，引起機械故障，不利于正常使用。由于手工電弧焊制過程中，不可確定因素較多，如受電焊工技術影響，電焊過程中出現氣泡、凹槽以及夾渣等，當流體內含有離子及氧氣經過管板時，發生泄漏，會產生腐蝕現象。長期如此，引起換熱器故障，影響使用。

2.1.2 介質及使用氛圍引起的泄漏

泄漏現象的產生還與換熱過程中使用的介質、溫度、酸堿度以及流速等因素有關。介質不同，腐蝕程度也隨之變化。譬如淡水與海水中所含氯離子和氧的濃度不一致，二者對管板和列管焊縫處腐蝕程度不一致；溫度越高，腐蝕性也越強；pH越小，流速越大，對由碳鋼制作而成的管板、列管腐蝕程度越強，較容易引起故障。

2.2 傳熱效率降低故障原因分析

從管殼式換熱器裝置的生產工藝特點來分析，換熱器熱交換效率之所以降低，一是換熱器發生了污垢堵塞，二是因為在換熱器中介質的流速或者流程減小。

(1)根據換熱器污垢的形成過程，可以將其大致分為六類：流體中所含有的固體顆粒因在換熱器表面沉積形成顆粒污垢；溶液因其溶解度的變化而在換熱器表面析出晶體，形成析晶污垢；微生物體以及宏觀生物體吸附在換熱器表面所形成生物污垢；因流體中的某些化學反應而在換熱器表面所形成化學反應污垢；多組分溶液中的高溶劑組分以及純凈液體在換熱器表面凝固形成凝固污垢；換熱器表面材料因被腐蝕形成腐蝕污垢。通常情況下，管殼式換熱器中的污垢是由其中兩種或者兩種以上的污垢相互作用及影響而形成的混合污垢。

(2)在一定程度上，可以根據需要在換熱器中安裝隔板，從而使整個管程，分為雙程甚至多程。這樣一來，換熱器中介質的流程就會變長，換熱器的熱交換效率也會因此而得到提高。然而，隨著設備運行時間的延長，腐蝕極易造成分程隔板的穿孔或者出現隔板因其槽內密封墊片的損壞而短路的現象。在這種情況下，介質就不會經過換熱器，而是從上一管程直接泄漏到下一管程，介質的流程大大縮短。此外，為了使殼程中介質的流速以及其湍動程度獲得較大的提高，通常會在管殼式換熱器的殼程安裝折流板。折流板能夠控制殼程中介質的流動方向，增大其傳熱系數。然而，在換熱器運行過程中，折流板極易遭到腐蝕，從而不能有效發揮折流作用。

3 管殼式換熱器故障檢修

3.1 換熱器泄漏故障處理

3.1.1 補焊

當換熱器折流板、管板因腐蝕而發生泄漏時，首先應該對其腐蝕程度進行評估，確定其是否能夠通過修復繼續使用。對于能夠通過修復而繼續使用的，可以對其進行打磨補焊；對于不能繼續使用的，需要重新更換；而對于具有非常嚴重腐蝕情況的，必須根據介質參數進行重新設計，并對其材質進行更改。

3.1.2 堵管

當換熱器靜密封面發生泄漏時，可以更換密封墊片或者預緊螺栓。當換熱管束因被腐蝕而發生泄漏時，如果泄漏管數低于總換熱管數的10%，可以堵管。

3.1.3 換管

如果泄漏管數高于總數的10%，堵管會嚴重影響換熱器的換熱效率，則必須進行換管。

3.2 換熱器污垢處理

在處理換熱器污垢時，首先要充分了解污垢類型，結合污垢的嚴重程度選用合適的清洗方法。現階段，我國通常采用的換熱器污垢清洗方法主要有4種，分別是機械清洗、高壓水射流清洗、化學清洗以及綜合清洗。

3.2.1 機械清洗

機械清洗的適用對象為管殼式換熱器的管程以及殼體內壁。然而，由于機械清洗的工作效率非常低，還需要進行多次清洗，會對設備產生一定的損害。

3.2.2 高壓水射流清洗

高壓水射流清洗的清洗力度非常強。首先通過高壓水泵將高壓水送出，然后利用高壓水槍將高壓水流直接噴射到換熱器所需清洗的部位。不同的清洗設備可以選擇不同的槍型，譬如清洗殼體內壁以及管束外壁時可以選擇具有較廣噴射面的手持搶；清洗換熱管可以選擇剛性槍；清洗帶彎頭的換熱管或者換熱器的相關管線時可以選擇柔性搶。然而，對于那些具有致密堅硬垢層的污垢，高壓水射流清洗的效果較差。針對這類污垢，通常采用以機械清洗為主、高壓水射流清洗為輔的清洗方式。此外，高壓水射流清洗水壓過

高、安全風險較大，因此必須對相關操作人員進行專門的培訓。

3.2.3 化學清洗

化學清洗是在換熱器中利用化學試劑進行循環從而達到溶解及消除污垢的目的。一般來講，化學清洗通常采用強制循環法以及浸泡噴淋。對于那些不能進行拆卸操作的換熱器部件，可以采用該類方法進行清洗，但需要注意的一點是，在選用化學清洗試劑時，必需對試劑腐蝕性進行評估，確保其不會腐蝕、損傷設備。

3.2.4 超聲波除垢

近些年來，超聲波除垢技術得到廣泛應用，但是針對一些特殊的工況或部件，僅靠超聲波除垢一種清洗方式得到的效果并不理想，可以結合幾種清洗方式來對設備進行綜合清洗，從而達到除垢的目的。

4 總 結

由以上分析可見，管殼式熱交換器目前在化工裝置中被廣泛應用，因其溫度、流速等發生變化較大，容易出現各種故障。因此，必需找準故障點，采取專項處理措施和檢修方案，排除故障，最終達到提高化工裝置生產能力的目的。