換熱器堵管工藝探討

徐曉星，王立昆，劉銀河，竇炳程

(高效清潔燃煤電站鍋爐國家重點實驗室(哈爾濱鍋爐廠有限責任公司)，黑龍江 哈爾濱 150046 )

0 前言

換熱器一般是電廠或化工廠等項目中回熱系統或合成系統中的核心設備，換熱器的投入率是項目經濟效率的一項重要指標。而換熱管泄漏是換熱器在運行過程中最常見的一種故障[1]，因此，及時有效的對泄漏進行處理是換熱器運行、維護的必修課。

換熱管泄漏主要分為設計密封形式失效(密封焊或密封脹失效)和換熱管出現穿透性裂紋兩種，前者可通過補焊或補脹解決，后者需進行堵管。本文主要是對不同形式的換熱器堵管工藝進行探討。

1 幾種常見的換熱器型式

按換熱管形式分，主要有以下幾種：

1.1 U型管換熱器

U形管換熱器的結構一般較簡單，重量輕，但是內部不易清洗，適用于高溫和高壓的場所，一般只有熱交換的功能，常見的有如高壓加熱器、余熱回收器等，見圖1。

圖1 高壓加熱器管束、廢熱鍋爐管束

1.2 直管換熱器

直管換熱器孔區的布置靈活多變，內部清理方便，對流體的要求相對較低，但是在有限空間獲得的熱程較短，是最常見的一種換熱設備，如進出料換熱器、甲醇反應器、廢熱鍋爐等。

1.3 異型管換熱器

異型管換熱器一般是基于工藝布置要求或在同等空間內獲得超常熱程的一種非常規設計，如纏繞管式換熱器的螺旋管、戴維技術徑向流甲醇合成塔的π形管等，見圖2。

圖2 戴維甲醇合成塔管束

2 堵管的方法

2.1 泄漏管管端處理方式

2.1.1 打磨處理(簡稱方式A)

對原結構不進行破壞，僅在焊接管堵前對焊接區域進行打磨清理。

2.1.2 管板區換熱管部分去除(簡稱方式B)

管端去除部分，需深入管孔一定的量，并且按原管端焊要求在管孔端部加工出管端焊坡口，見圖3。可采用便攜式機加設備鉆或銑，小進給、多次加工成型，避免損傷管孔壁，單側最終加工量約0.1 mm時可停止機加，直接用端部倒鈍的鏟子鏟除。

圖3 管板區部分去除

2.1.3 管板區換熱管全部去除(簡稱方式C)

穿入管板部分換熱管全部去除，使換熱管該端處于完全自由狀態，管孔端部仍按方式B加工出坡口，見圖4。加工方式可參考方式B，如管板較厚，全程加工困難，可從換熱管內伸入小鋸片鋸下一段，然后按方式B加工， 保證換熱管該端完全自由，見圖5。

圖4 管板區全部去除

圖5 鋸片(左)、加工示意(右)

2.2 管堵

2.2.1 管堵的形式

一般有實心管堵(簡稱管堵a)、空心管堵(簡稱管堵b)、帶尾部引導頭的管堵(簡稱管堵c)，見圖6。同時，根據設備結構及參數，選擇管堵是否有錐度，根據裝配的經驗，錐度一般推薦為1:50～1:30。

圖6 管堵a(左上)、管堵b(左下)、管堵c(右)

2.2.2 管堵的選擇

2.2.2.1 管堵錐度的選擇

管堵存在錐度后，管堵和換熱管或管孔發生的是線接觸，不易平穩塞入，但是管堵增加錐度后，管堵和換熱管或管孔的之間采用間隙配合及過盈配合均可。所以，以下情況管堵可設置錐度：當換熱管內徑公差范圍大，批量備管堵時，管堵設置錐度，便于適應不同內徑換熱管；當換熱器立式安裝且換熱管過小，無法利用輔助工具時，防止管堵落入換熱管，需過盈配合，管堵設置堵塞。

2.2.2.2 管堵的結構形式

管堵的形狀結構不同會產生不同的焊接殘余應力：實心管堵焊接時剛性大，不易變形，拘束度大，易產生較大的殘余應力；空心管堵焊接時剛性小，易變形，拘束度小，產生的殘余應力也較小[2]；管堵c是在管堵b的基礎上，為滿足2.1中方式B、C改制的一款專用管堵。因此，除了緊急情況下的臨時性封堵，均應選擇空心管堵。

2.3 堵管方法

任一種管端處理方式與管堵形式進行排列組合均形成一種堵管方法，但是實際已經或可能的方法有Aa、Ab、Bb、Cc，其中，應用較多的方法是Aa、Ab，筆者處理過一起使用方法Bb的實例，Cc是筆者對特別結構堵管方式的設想。

3 堵管方法的選擇

3.1 方法Aa

僅用于緊急情況下換熱設備換熱管兩端的臨時性堵管，主要是基于管堵可在現場就地取材手工打磨成型。

3.2 方法Ab

用于U型管、盤管等膨脹自由度較大，或是管殼程因溫差產生的熱膨脹差較小的換熱設備換熱管兩端的堵管，堵管示意見圖7。

圖7 方法Ab堵管示意

圖7 方法Bb堵管示意

3.3 方法Bb

該方法主要是考慮泄漏管與其它管的熱膨脹差對管端焊縫的影響。換熱管泄漏后，該管與殼程連通，運行溫度與殼程保持一致，與其它管存在溫差，從而產生熱膨脹差，如不處理釋放，運行時，泄漏管將處于拉伸或壓縮狀態，對原始管端焊焊縫產生沿換熱管軸向的應力，可能引起管端焊焊縫泄漏。該方法實施過程復雜，產品熱膨脹差較大時使用，建議管殼程間布置膨脹節的產品使用該方法，堵管示意見圖8。該方法一般與其它方法組合使用，堵管時一端用方法Ab，一端用方法Bb。

例如某項目進出料換熱器，換熱管為不銹鋼，規格?14×2 mm、L=13 500 mm，管/殼程運行溫度分別為250 ℃/221 ℃，溫差為29 ℃。常見材料熱膨脹系數如表1[3]：

表1 材料熱膨脹系數表

運行時，泄漏管熱膨脹大于其余管，熱膨脹差：

Δl=(C(250 ℃)- C(221 ℃))×L≈7 mm

使用方法Bb時，泄漏管與管板分離，與其它管不同步，可自由熱膨脹，對原始管端焊縫不產生應力。

3.4 方法Cc

方法Cc是對Bb的補充，同時滿足以下條件時采用該方法：

a、管殼程間布置膨脹節；

b、管程運行溫度大于殼程；

c、管子管板間存在脹接。

此時，泄漏管在運行時處于拉伸狀態，但管子管板的脹接限制了泄漏管的自由收縮，因此，需要將管板范圍內的換熱管群全部去除。同時，為防止運行過程中泄露管的振動擾動流體或碰傷周邊管，需加引導頭限位。堵管示意見圖9。

圖9 方法Cc堵管示意

4 結 語

堵管不僅僅是一種簡單的阻止泄漏的應急措施，還應該綜合考慮產品的結構特點和性能特點，選取有效的堵管方法，既要保證堵管處的使用年限，也要防止誘發新的泄露點。本文結合多年制造換熱設備和協助處理現場換熱管泄漏問題的經驗，形成了四種典型的堵管方法，供讀者借鑒和參考。