管殼式換熱器失效分析及解決方法探究

龔 博，尉海晶，劉 瑞，仙笑笑

（潞安化工機械（集團）有限公司，山西太原 030032）

0 引言

管殼式換熱器應用的過程中如果出現失效問題，將會導致設備和系統的運行穩定性降低，不能確保與使用需求相符。因此在新時期的環境下，應重點分析和研究管殼式換熱器的失效情況，采用合理的檢測方式查明失效情況，分析失效機理，按照具體的失效特征使用預防和防治措施，從根本層面降低失效問題發生率。

1 管殼式換熱器失效分析

管殼式換熱器是應用非常廣泛的典型熱交換設備，因外形結構穩固、選材多樣性等優點，具有很強的適應性，目前廣泛應用于各個行業和領域，例如水泥生產領域中所使用的稀油站油冷卻器設備、車輛發動機中所使用的油冷卻器設備等，都屬于管殼式換熱器。管殼式換熱器的堅固性較高、可靠性很強、適應性非常廣，隨著技術的創新改革與升級，制造技術水平與傳熱性能都有所提升。但是由于管殼式換熱器結構本身非常復雜、應用的環境具有多元性特點，很容易受到一些因素的影響出現失效的現象，如果不能嚴格預防甚至會導致整體設備報廢。而出現失效問題的原因主要有以下3 個。

1.1 結垢

設備經過長時間應用后如若管壁區域存在結垢的現象，傳熱性能就會降低，換熱介質出口位置的溫度不能與設計工藝數據標準相符，污垢會使管道的內徑減小、流速增加，出現嚴重的壓力損失現象，最終引發設備失效問題。此情況下可以利用流量檢查方式、壓力檢測方式與溫度檢測方式等明確是否存在管壁結垢的現象，針對性去除結垢，降低失效問題發生[1]。

1.2 腐蝕磨損

換熱介質與污垢等綜合作用下，會導殼體部分、管道內部和外部表面出現腐蝕性磨損的現象，如果不能嚴格控制將會引發設備失效的問題。建議使用測厚儀設備檢測殼體結構，從外部區域測定和評估腐蝕問題與減薄問題的位置，結合位置的情況針對性地做出處置，以避免發生失效問題[2]。

1.3 泄漏

管殼式換熱器在應用的過程中，管道內部可能會受到腐蝕因素或誘導振動因素的影響出現破裂，管端可能會在腐蝕作用、疲勞破壞作用下導致管路和管管相互連接的位置出現泄漏，導致整體設備的正常應用受到不利影響，甚至還會出現失效的嚴重后果。此情況下可利用流體取樣的方式對管束的泄漏現象與破壞現象進行全方位檢查，通過檢驗檢查的技術手段及時發現泄漏可能引發的失效問題，做好相應的處理工作，確保整體設備的良好運行與應用。

2 管殼式換熱器失效解決方法

管殼式換熱器的零部件數量很多，主要涉及管束、筒體、管板、折流板、法蘭、接管等部分，在各類工作狀況和介質的影響之下都可能會出現不同程度的失效問題，而經常出現失效現象的位置主要是構件相互連接的部分，如管束和管板的連接位置、筒體和管板的焊接位置等都有可能引發失效問題，因此在日常的解決工作中需要按照不同位置失效問題，采用合理的預防手段，主要措施有以下4 個。

2.1 管束失效問題的解決

管殼式換熱器設備中管束失效問題的發生主要是由腐蝕現象所引起，尤其是換熱管、管板、換熱器封頭和接管等部分。出現腐蝕和磨蝕失效問題的原因是管束中存在腐蝕性特點的污垢，或是流體具備一定的腐蝕性特征，管束的內壁部分存在異物，長時間積累的情況下出現局部腐蝕問題，也可能是管端有縫隙發生腐蝕。此類失效問題的預防應安排專業的工作人員階段性對管束進行清洗，合理選擇材料，在流體內設置緩釋劑，在流體入口的位置設計過濾設備與緩沖設備，從根本層面預防發生失效的現象。

管殼式換熱器設備在實際應用期間工作介質具備硬度很高的特征，流體部分帶有懸浮物質與顆粒物質，會使管束內壁和外壁出現非常嚴重的結垢現象。在污垢數量增多、層次增厚的情況下，傳熱的熱阻不斷增加，如果不能嚴格控制會導致介質流道出現阻塞的問題，傳熱性能降低最終引發設備失效的現象[3]。為有效預防和應對此類問題，應在工作中全方位了解容易受到污染和出現結垢現象的位置，階段性開展檢查工作，如果已經出現了結垢現象必須要經常檢查、拆卸和清理，避免結垢問題對設備的正常運行帶來影響。

重點預防和應對管束泄漏問題帶來的影響，考慮到在介質或是應力間隙腐蝕、碰撞磨損等因素的影響下，管路可能會有輕微裂紋，如果出現了交變應力或高拉應力，裂紋就會不斷擴展后出現泄漏。此情況下通常會使用堵管的方式應急性修復，但是此類修復方式會導致管路堵塞以后溫差應力增加，導致結構應力腐蝕的速度加快，管路很容易會出現嚴重破壞性問題，使整體管束報廢。因此在實際工作中應做好預防管束泄漏的工作，選擇材料符合標準、防腐性能和防損傷性能較好的管束，同時在工作期間降低拉應力與振動問題造成的影響，一旦在設備運行期間出現管束泄漏的現象需及時進行管束的拆卸與更換，以免影響設備的正常運行[4]。

2.2 連接失效問題的合理處理

換熱器設備運行中的工作狀況和環境存在差異，管束與管板相互銜接的接頭位置可能是焊接形式、脹接形式或脹焊并用的形式，由于接頭的焊接措施不同導致失效問題的發生也存在差異性。一般情況下管束和管板之間會使用常規性的焊接方式銜接處理，大修過程中可以改變焊接形式，提升換熱管和管板相互的焊縫強度，避免發生失效的現象。例如，將之前的單面焊接模式轉變成為雙面焊接的模式；將管板部分和管束前端部分的平齊焊接結構轉變成為管束，伸出一定長度的角形焊接部分創建成專門的工裝形式，使管束和管板從之前的平放狀態轉變為立放狀態；在變換熱管和管板前部分的位置使用垂直焊接的技術方式，這樣在一定程度上可以保證水平焊接的質量能夠符合焊接技術標準要求，通過改進焊接技術和工藝模式的方式，保證可以有效預防發生失效的問題。

在連接失效問題解決的環節中還需分析換熱管與折流板相互連接位置的情況，一般情況下會在換熱管與折流板配合應用的位置設置空隙，而在流體長時間的沖擊影響下，配合位置的空隙寬度會逐漸增加，折流板會對換熱管造成切割性影響，不僅會引發高振動力和大噪聲問題，還會出現泄漏，因此在工作中應全面檢查折流板與換熱管相互之間配合位置的情況，一旦發現問題必須立即作出處置，保證折流板和換熱管相互連接的部分質量與性能符合標準[5]。

2.3 筒體失效問題的解決

通常情況下管殼式換熱器設備在運行期間，殼體部分與管束部分的工作環境處于相同的狀態，所以在筒體失效與殼體失效預防與解決方面可參照管束失效的解決措施，積極總結歸納豐富經驗，采用現代化、系統化的方式增強筒體應用性能與效果，發揮不同措施和工藝技術的作用價值。

在解決與應對問題的過程中，重點關注工作人員的專業能力和綜合素養，要求每位人員都具備一定的專業素質，可以結合管殼式換熱器設備的特點與特征，運用現代化的技術解決失效問題，保證設備的高質量運行。

2.4 U 形彎管失效問題的解決

管殼式換熱器設備中的不銹鋼管束中會應用U 形管，其本身形態特點具備塑性變形的特征，應用過程中很容易形成殘余拉應力，主要原因就是兩個直管段的熱變形缺乏均勻度引發溫差應力的現象。應力疊加后會導致彎管位置拉應力不斷增高，腐蝕介質與設備運行期間所形成的扭曲和彎曲振動力共同作用之下，會導致彎管的位置出現疲勞腐蝕損壞的現象，引發嚴重的設備失效后果。為解決此類問題應確保熱變形吸收利用效果，結合設備的情況增加U 形管的牢度消除其中的殘余應力；使用彎管特殊化技術處理方式使得流體進入到設備的面積不斷增大，嚴格控制流速、降低激振頻率與激振力量；重點增加管壁的厚度，改善換熱管部件的耐磨性能，從根本層面避免在U 形彎管的影響之下發生設備失效的現象[6]。

3 結語

管殼式換熱器在應用和實際運行期間，經常會受到很多因素的影響而出現失效問題，對整體設備的運作和使用都會產生不利的影響。因此在管殼式換熱器應用階段，必須要重點分析失效問題的原因和特點，合理使用解決措施，重點應對管束失效問題、連接位置失效問題、筒體結構失效問題與U 形管的失效問題，確保能夠改善設備和不同部件的應用性能，降低失效現象的發生概率，從而增強整體設備的運行有效性。