關于換熱器缺陷產生原因的分析

摘要 在換熱器制造、使用的過程中，經常遇到換熱器因缺陷發生泄漏，特別是換熱器使用中的缺陷經常導致整套裝置停車，不僅影響生產的經濟性，還常常直接威脅人身安全。結合換熱器的生產和使用情況，分析換熱器缺陷的產生原因，預防壓力容器事故發生，保障人身和財產安全。

關鍵詞：制造;使用;換熱器;缺陷

1、換熱器泄漏產生的原因分析

在換熱器制造、使用的過程中，換熱器因缺陷產生泄漏是經常遇到的現象。缺陷產生的原因主要有制造工藝和質量、密封性缺陷、換熱器管束端口破裂泄漏等。有原材料質量問題，足，也有制造施工工藝、質量過程控制等方面的問題。

1.1 制造過程中的泄漏

在壓力容器的制造過程，對換熱管與管板貼脹后耐壓試驗的過程中，發現一臺換熱器有8支換熱管管端開裂。（材質：09MnD，規格為Φ19*2mm）通過現場制造工藝復驗，并從8支開裂換熱管中抽取典型缺陷樣管進行分析。

制造現場缺陷照片如圖 1（a）和圖 1（b）所示，缺陷宏觀形貌一致，長度 3～5cm。

1.1.1 制造工藝分析。根據圖紙要求，換熱管規格φ19×2，管孔直徑為19.25±0.10mm，脹接方法為液囊液壓脹接，脹囊直徑φ14.8mm，脹接壓力110～130MPa，脹度k值控制在2～3%。從脹接工藝性試驗的解剖截面來看，脹接工藝符合要求。

1.1.2 檢測分析

將樣管切段，分別進行化學成分分析、壓扁和擴口試驗、室溫拉伸試驗及金相檢驗。

1.1.3 化學成分

換熱管生產廠家采用 Spark CCD 6000 直讀光譜儀對換熱管試樣進行化學成分分析，我單位也對本次開裂換熱管進行抽樣送檢，其結果如表 2 所示。可見樣管成分均滿足采購標準 NB/T47019-2011 要求。

1.1.4 室溫拉伸試驗

按 GB/T228.1-2010 要求對所取樣管進行室溫拉伸試驗，結果見表 3，可見樣管室溫拉伸性能均滿足采購標準 NB/T47019-2011 要求，尤其延伸率均大于等于40%，可見其塑性非常好。

1.1.5 壓扁試驗

按 GB/T246-2007 要求對所取樣管進行壓扁試驗，壓扁后平板距離 H 分別為：11mm，壓扁后試樣宏觀可見壓扁樣管表面均無裂紋。

1.1.6 擴口試驗

按 GB/T 242-2007 對所取樣管進行擴口試驗，擴口頂芯錐度為 60°，外徑擴口率為 10%，擴口后試樣宏觀檢查樣管表面無裂紋。

1.1.7 金相組織

在圖 1（a）中標識位置切取金相試樣，其金相組織如圖 4 所示。由圖 4 可以看出，缺陷均成貫穿性，缺陷及附近基體處的顯微組織均正常;缺陷形貌一致，缺陷均起源于管子內表面，開口狀，晶粒圓潤，表明此處缺陷是管子出廠前就已存在，此處缺陷與管子徑向呈約 15°夾角，基本是穿孔后毛管就存在缺陷。

綜合分析表明，上述管子出廠前就已存在較深的缺陷，在設備制造過程中缺陷受外力作用擴展至貫穿。

換熱管表面在成形過程中往往存在著一些原始缺陷，如砂眼、重皮、凹坑、劃痕等。此處泄漏的換熱管在接近外表面時呈 V 形，且晶粒出現輕微拉長，可以看出缺陷是在設備制造過程中，管子受外力作用導致缺陷擴展至開裂。

對于換熱管來說，一般就兩個地方容易損傷泄漏，一是管子與管板的連接處，二是管子本身泄漏。換熱管損傷的原因：換熱管由于流體介質的腐蝕、磨損、沖刷、裝配拉傷以及管子本身存在的缺陷或壁厚偏差大等原因產生裂紋、穿孔而發生泄漏。

2.密封面的缺陷問題

泄漏主要集中在各個法蘭連接的密封面。密封泄漏的原因主要有以下幾點：

（1）墊片型式的問題。一般根據不同的介質，溫度和壓力等級選擇不同的墊片，對大中直徑的換熱器法蘭面，選用墊片也應該充分考慮變形量。

（2）密封面不平。換熱器法蘭密封面在加工過程中存在缺陷，變形、劃痕和夾渣等缺陷，導致密封不嚴而發生泄漏。

2.1 換熱器管束端口泄漏

2.2焊接缺陷。特別是焊接接頭處未熔合和未焊透危害較大，管子與管板焊縫處開裂，由于該連接處的不連續性，內應力最大，也是經常產生缺陷的位置。而在用換熱器由于介質的腐蝕作用（包括應力腐蝕、縫隙腐蝕等），接頭處強度下降，使管束失效或產生泄漏。

2.3 管子振動。在換熱器的使用過程中，由于換熱器使用中所處理的流體介質，有的是懸浮液，有點夾帶固體顆粒，有的粘結物含量較高，有點還含有泥沙、藻類等雜質。隨著換熱器運行時間的延長，往往會因流體介質的腐蝕、沖刷，在換熱器各傳熱面都有產生結垢或積污，甚至堵塞，因而使換熱器各傳熱面的傳熱系數或傳熱面積減小，從而使換熱器的換熱能力大大降低，隨著污垢層的加厚，將會使介質的通徑減小。在壓力不變的情況下，通道變小，則介質的流速加快，誘導振動產生的幾率也會不斷增加，進而導致換熱管束中管子的振動，并將致使管束損傷失效。

當管束中換熱管的振幅變大時，將致使換熱管相互作用，發生碰撞和變形，當這種情況得不到改善時，碰撞嚴重的換熱管就會開裂。

在殼程側防沖板設置不當，在物料的沖擊下，管束也會產生不同程度的振動，這也是需要預防的常見損傷。

2.4其他常見腐蝕和損傷

換熱器常見的腐蝕主要有均勻腐蝕、孔蝕、縫隙腐蝕、應力腐蝕破裂（ SCC）和腐蝕疲勞、沖刷腐蝕、氫腐蝕、晶間腐蝕等。

在運輸、制造過程中，管束的機械損傷也是需要避免的重點之一。

3 分析結論

（1）制造過程嚴把材料關，換熱管應逐根檢查，有缺陷的換熱管要排除。

（2）制造廠在進行管束與管板焊縫的工藝編制中，可設置成兩道焊，即先自熔一道，再熔絲焊一道，這樣就能較好的解決焊接缺陷;焊接后進行貼脹，預防縫隙腐蝕和應力腐蝕的發生。

（3）加工管板、折流板等時，需嚴格控制尺寸，在保證換熱管能順利穿入的前提下，管孔直徑和同心度偏差越小越好。

（4）嚴把墊片質量關，依據不同的介質，溫度和壓力等級選擇相應的墊片等級種類。

（5）在運輸、制造過程中，管束起吊必須采用布帶或尼龍帶，保證金屬表面平整、無劃痕、能夠順利入殼。

（6）檢修時嚴格控制各項程序，管束清洗完、試壓完畢后應及時通風干燥。

參考文獻

[1]GB/T 151-2014? 《熱交換器》 2014

[2]《換熱器》? 中國石化出版社有限公司? ?蘭州石油機械研究所 編? 2013.

作者簡介：黃建祥（1981—），男，本科，工程師，籍貫：湖南，湘陰，主要從事鍋爐壓力容器壓力管道檢驗檢測和研究工作。