在役換熱設(shè)備運(yùn)行故障分析與在線檢測方法的淺析

張婧

（1.甘肅省特種設(shè)備檢驗檢測研究院，甘肅 蘭州 730050：2.國家節(jié)能換熱設(shè)備質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心（甘肅），甘肅 蘭州 730050）

0 引言

換熱設(shè)備又稱熱交換器，其原理是將熱能傳導(dǎo)最終達(dá)到工藝流程所規(guī)定的溫度指標(biāo)，確保生產(chǎn)體系熱能供應(yīng)安全平穩(wěn)。近年來，在加快我國工業(yè)化和產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程的同時，對節(jié)能降耗、提高能源利用率的需求日益增強(qiáng)[1]。換熱設(shè)備作為節(jié)能設(shè)備之一，國內(nèi)外對換熱設(shè)備的需求量一直持續(xù)增長，伴隨著換熱設(shè)備在石化、化工、熱電等工業(yè)裝置上的廣泛使用，換熱設(shè)備因缺乏在線檢測、監(jiān)管，導(dǎo)致?lián)Q熱設(shè)備本體的腐蝕、結(jié)垢、泄漏等問題日趨突出，使用過程中換熱設(shè)備能源利用率低、能耗大，使換熱設(shè)備作為節(jié)能設(shè)備的功能性大打折扣。因此對換熱器的檢測也成為了換熱設(shè)備行業(yè)發(fā)展的最重要的環(huán)節(jié)之一。目前，國內(nèi)對換熱器的檢測僅僅局限于具備換熱性能檢測能力的實(shí)驗室內(nèi)的規(guī)定工況下的熱工性能及其流體阻力特性檢測。由于換熱設(shè)備檢測平臺體積大、建設(shè)成本高，因此國內(nèi)具備換熱設(shè)備檢測資質(zhì)和能力的實(shí)驗室較少，企業(yè)送檢換熱設(shè)備成本較高。另外，換熱設(shè)備的檢測需要較長時間的運(yùn)輸和檢測周期，無法滿足對在線運(yùn)行的換熱設(shè)備的檢測。以往對在線運(yùn)行的換熱設(shè)備的檢測并不完善，如換熱效率是通過介質(zhì)的溫差來人工判斷，腐蝕狀況主要是通過換熱設(shè)備出現(xiàn)嚴(yán)重泄漏后對其介質(zhì)產(chǎn)生了明顯的影響才發(fā)現(xiàn)，而這將導(dǎo)致大面積介質(zhì)污染。另外，換熱設(shè)備所存在的問題經(jīng)常造成生產(chǎn)系統(tǒng)非計劃檢修，生產(chǎn)系統(tǒng)開、停工運(yùn)行成本將大幅增加，能源浪費(fèi)嚴(yán)重，因此，換熱設(shè)備的在線檢測與故障分析手段已經(jīng)成為迫切的需要。

1 換熱設(shè)備在線運(yùn)行存在的故障

換熱設(shè)備是化工生產(chǎn)中重要工藝和節(jié)能設(shè)備之一，如在石油煉制和石油化工裝置中，換熱設(shè)備約占總工藝設(shè)備的40%，由于對其的缺乏在線檢測，使換熱設(shè)備檢修工作時間長，約占檢修總工作時間的60%-70%[2]，在長期運(yùn)行的過程中常常發(fā)生以下故障，無論出現(xiàn)下述何種故障，都會降低換熱器的換熱效率，影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行，當(dāng)換熱設(shè)備發(fā)生泄漏等較大故障時，將導(dǎo)致生產(chǎn)物料被污染，生產(chǎn)產(chǎn)品不合格等重大影響。換熱設(shè)備在運(yùn)行過程中經(jīng)常會出現(xiàn)的故障可以總結(jié)為泄漏、流體輸送動力增加（壓降增大）、換熱能力下降、噪聲增大等，究其原因主要為腐蝕、磨損、振動、結(jié)垢[3]。

1.1 腐蝕和磨損

換熱設(shè)備的腐蝕和磨損可總結(jié)為以下幾種類型：

（1）應(yīng)力腐蝕。換熱設(shè)備在線運(yùn)行過程中承受溫差應(yīng)力和壓力載荷雙重應(yīng)力狀態(tài)，使換熱設(shè)備內(nèi)部構(gòu)建如管殼式換熱器的管束的脹接接頭、管板與殼體連接處存在拉應(yīng)力集中，加之不銹鋼等材料的使用帶來的材料的敏感性，與運(yùn)行介質(zhì)中腐蝕介質(zhì)的參與，構(gòu)成了應(yīng)力腐蝕的三嚴(yán)重，最終導(dǎo)致?lián)Q熱設(shè)備在這些敏感部位的應(yīng)力腐蝕開裂。

（2）電化學(xué)腐蝕。換熱設(shè)備的電化學(xué)腐蝕易發(fā)生在縫隙處、死角處以及結(jié)垢位置，這些位置使流體流速降低，位置內(nèi)、外介質(zhì)的存在濃度差，形成濃差電池，為電化學(xué)腐蝕創(chuàng)造了有利條件，常見的電化學(xué)腐蝕類型有縫隙腐蝕、垢下腐蝕等，最終導(dǎo)致?lián)Q熱設(shè)備在這些薄弱位置上腐蝕導(dǎo)致局部開裂。

（3）氧腐蝕。換熱設(shè)備介質(zhì)若充實(shí)大量的氧，當(dāng)介質(zhì)流速較高、存在溫度梯度較大時，易發(fā)生氧腐蝕，生成的氧化膜質(zhì)地較疏松時，在振動強(qiáng)烈、往復(fù)循環(huán)、或者金屬材料膨脹系數(shù)差別較大的換熱體系中，疏松的氧化膜易脫落，常此循環(huán)往復(fù)，金屬不斷減薄，導(dǎo)致發(fā)生氧腐蝕穿孔泄漏。

（4）疲勞腐蝕。換熱設(shè)備循環(huán)往復(fù)運(yùn)行是疲勞發(fā)生的主要原因之一，加之腐蝕介質(zhì)的共同作用，構(gòu)成腐蝕疲勞，疲勞和腐蝕相互促進(jìn)，縮短了換熱設(shè)備的使用壽命。

（5）沖刷腐蝕。換熱設(shè)備腐蝕和磨損往往是交互作用的，換熱介質(zhì)中的腐蝕產(chǎn)物、污垢、或是含有固體小顆粒的氣體等在較高寫循環(huán)流速下，將會導(dǎo)致?lián)Q熱設(shè)備的沖刷腐蝕，在換熱設(shè)備上留下沖蝕溝槽，減薄設(shè)備本體，最終導(dǎo)致設(shè)備的泄漏。

1.2 振動

振動過大會引起換熱設(shè)備泄漏、噪聲和阻力增大等嚴(yán)重問題。在保證換熱特性的前提下，適當(dāng)?shù)亟档土魉偈欠乐箵Q熱設(shè)備振動的有效方法之一。在設(shè)計方面，增加換熱設(shè)備的自振頻率等都可以減小換熱設(shè)備的振動。

1.3 結(jié)垢

運(yùn)行過程中換熱設(shè)備介質(zhì)的硬度高、介質(zhì)中含有雜質(zhì)成分等都會導(dǎo)致?lián)Q熱設(shè)備的結(jié)垢，結(jié)垢會導(dǎo)致的換熱能力、導(dǎo)熱性能下降，以及換熱體系壓降的增大。換熱設(shè)備結(jié)垢主要有沉降結(jié)垢、析晶結(jié)垢、生物型結(jié)垢等，預(yù)防結(jié)垢應(yīng)從設(shè)備結(jié)構(gòu)及運(yùn)行工藝方面考慮，適當(dāng)?shù)目刂茰囟扔嬃魉伲橘|(zhì)循環(huán)過程中加入防腐劑、消毒劑等都能起到預(yù)防結(jié)垢的作用。

2 換熱設(shè)備檢測技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r

對于換熱設(shè)備的檢測國內(nèi)是以GB/T27698-2011《熱交換器及傳熱元件性能測試方法》、JB/T10379-2002《換熱器熱工性能和流體阻力特性通用測定方法》標(biāo)準(zhǔn)中熱工性能和流體阻力測試基本原理為基礎(chǔ)，所設(shè)計的檢測系統(tǒng)。依照標(biāo)準(zhǔn)要求測量計算換熱設(shè)備的產(chǎn)品外形尺寸、板片數(shù)量、板片厚度、板片波紋深度、夾緊尺寸、板間距、當(dāng)量直徑、總換熱面積等。通過傳感器采集換熱設(shè)備在標(biāo)準(zhǔn)要求工況下運(yùn)行的冷、熱介質(zhì)的進(jìn)、出口溫度，壓力及流量等參數(shù)。2019年1月由國家市場監(jiān)督管理總局頒布TSG R0010-2019《熱交換器能效測試與評價規(guī)則》對液-液工況下的可拆式板式熱交換器、半焊式板式熱交換器、釬焊板式熱交換器產(chǎn)品的能效測試與評價適用。現(xiàn)有的檢測標(biāo)準(zhǔn)往往針對具備換熱設(shè)備檢測資質(zhì)和能力的實(shí)驗室對新工藝、新制造換熱設(shè)備的性能檢測和能效評價。而企業(yè)實(shí)際運(yùn)行時對在役換熱設(shè)備檢測，通常將冷、熱側(cè)介質(zhì)進(jìn)、出口溫度、壓力、流量等數(shù)據(jù)，發(fā)送到具備檢測資質(zhì)的實(shí)驗室進(jìn)行數(shù)據(jù)的計算，最終分析換熱設(shè)備可能存在的問題，這種方法缺乏檢測的依據(jù)、對在線測試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確程度也有待考量；并且所檢測換熱設(shè)備通常已經(jīng)出現(xiàn)較大故障，或已出現(xiàn)安全隱患，經(jīng)實(shí)驗室分析后對于換熱設(shè)備的處理方法，也多為停車檢修和更換為主，造成了時間和經(jīng)濟(jì)的浪費(fèi)。

國外換熱設(shè)備檢測標(biāo)準(zhǔn)有NF E38-321-199《熱交換器 熱交換器性能的定義和確定各種熱交換器性能的試驗程序》、BS EN305:1997《換熱器的性能定義和評價所有換熱器性能的一般測試程序》等，明確可進(jìn)行三類換熱器的檢測：①新?lián)Q熱器的型式試驗；②新?lián)Q熱器的驗收試驗；③使用中的換熱器的性能試驗。對于使用中的換熱器的性能檢驗規(guī)定可在現(xiàn)場進(jìn)行。它可進(jìn)行簡單的監(jiān)測活動用于確定裝置的一般特性。對使用中的換熱器的試驗原則上與新（清潔）裝置相同，檢驗?zāi)康臑榇_定換熱器的結(jié)垢與腐蝕程度。通過定期測定在役換熱器的換熱效率，指導(dǎo)換熱設(shè)備的清洗及更換周期。英標(biāo)BS EN305:1997中對現(xiàn)場檢測方法并沒有做明確的說明，僅僅提到現(xiàn)場檢測時很難測得額定工況下的溫度與流量，需要記錄不同工況下的相關(guān)參數(shù)并繪制曲線用以確定換熱器性能，而在歐洲標(biāo)準(zhǔn)中的各個分支應(yīng)用中給出了測量換熱器性能采用的程序。

3 在役換熱設(shè)備在線檢測與故障分析方法

換熱設(shè)備在線檢測方法，即實(shí)時監(jiān)控?fù)Q熱設(shè)備在工況下的運(yùn)行情況，根據(jù)溫度、壓力、流量傳感器采集的數(shù)據(jù)計算出換熱設(shè)備的吸、放熱量、傳熱效率、換熱設(shè)備能效，換熱設(shè)備的流量、壓力、溫度損失變化值；擬合出實(shí)時測試曲線，從而實(shí)現(xiàn)對換熱設(shè)備傳熱性能及流體阻力特性的在線分析，主旨建立換熱設(shè)備正常工況工作下的數(shù)據(jù)模型，及時對換熱設(shè)備可能出現(xiàn)的故障進(jìn)行排查，通過分析流體壓力計進(jìn)出口壓降變化，結(jié)合換熱設(shè)備換熱效率，換熱設(shè)備的熱阻值變化，確定換熱設(shè)備清洗周期。在換熱設(shè)備冷、熱側(cè)管道進(jìn)、出口安裝接觸式的流量計采集冷、熱側(cè)介質(zhì)流量變化，通過流量損失的變化趨勢，判斷換熱設(shè)備是否發(fā)生泄漏，確定換熱設(shè)備檢測泄漏周期。

在役換熱設(shè)備在線檢測方法是在換熱設(shè)備的冷、熱側(cè)的進(jìn)、出口分別安裝插入式溫度傳感器、壓力變送器數(shù)據(jù)采集裝置，實(shí)時接收、計算、處理集成傳感器上傳的檢測數(shù)據(jù)；通過曲線實(shí)時反映各管道數(shù)據(jù)變化；實(shí)時計算出換熱設(shè)備吸、放熱量、換熱效率[4]；通過分析流體壓力計進(jìn)出口壓降變化，結(jié)合換熱設(shè)備效率，換熱設(shè)備的熱阻值變化，確定換熱設(shè)備清洗周期。在換熱設(shè)備冷、熱側(cè)管道進(jìn)、出口安裝接觸式的流量計采集冷、熱側(cè)介質(zhì)流量變化，通過流量損失的變化趨勢，判斷換熱設(shè)備是否發(fā)生泄漏。通過在線對壓力、溫度、流量以及進(jìn)口物料條件的變化的檢測，預(yù)防壓降、溫度反復(fù)變化由熱應(yīng)力循環(huán)引起的熱疲勞，以及換熱設(shè)備產(chǎn)生的強(qiáng)烈振動，降低換熱介質(zhì)的腐蝕性、磨損性等[5]。

4 結(jié)語

本文針對在役換熱設(shè)備運(yùn)行過程中缺乏檢測監(jiān)管，出現(xiàn)問題便面臨停車檢修、更換的現(xiàn)狀，依托換熱設(shè)備實(shí)驗室檢測平臺對以往送檢的新研發(fā)、新制造換熱設(shè)備性能和能效測試的經(jīng)驗，研究換熱設(shè)備在線檢測工藝，最大程度提升換熱設(shè)備的使用壽命，降低能耗輸出，落實(shí)節(jié)能降耗目標(biāo)，填補(bǔ)在役換熱設(shè)備在線檢測的技術(shù)空白。旨在拓寬換熱設(shè)備性能測試方法，重視在役換熱設(shè)備“健康狀況”，提高節(jié)能效率，填補(bǔ)在役換熱設(shè)備在線檢測的技術(shù)空白；推進(jìn)建立在役換熱設(shè)備故障診斷方法，評估在役換熱設(shè)備狀態(tài)，指導(dǎo)換熱設(shè)備定期清洗、檢修，提升運(yùn)行安全性和經(jīng)濟(jì)性；逐步建立在役換熱設(shè)備在線運(yùn)行的能效評價方法，最大程度地提高換熱設(shè)備的換熱效率和使用壽命。