板式換熱器結(jié)構(gòu)原理和檢修方法研究

張奇，李永哲，劉鎧

（吉林省四平地質(zhì)工程勘察院，吉林 四平 136001）

隨著我國工業(yè)發(fā)展進(jìn)程的不斷加快，換熱器技術(shù)水平不斷優(yōu)化升級，如今已經(jīng)衍生出多種換熱器種類，例如，板式換熱器、熱管換熱器、容積式換熱器等。其中板式換熱器以較大的傳熱面積，單位面積內(nèi)可滿足較大傳熱需要的技術(shù)優(yōu)勢得以廣泛應(yīng)用，板式換熱器自提出至今，已有諸多學(xué)者研究此設(shè)備的結(jié)構(gòu)原理與傳熱特性，發(fā)現(xiàn)此板式換熱器有著高傳熱系數(shù)與自沖刷特性，小溫差情況下回收低位熱量。其中板式換熱器在石油化工裝置中發(fā)揮重要作用，而近年來新建投產(chǎn)的液氮循環(huán)冷卻器的大型化，也逐漸對板式換熱器的檢修提出更高要求。傳統(tǒng)的手動(dòng)定力矩緊固螺栓這一方法，如今已經(jīng)無法滿足設(shè)備檢修技術(shù)需要，極易導(dǎo)致板式換熱器的螺栓緊固力矩不均勻，或是發(fā)生墊片把偏等狀況，對此本文將對板式換熱器的結(jié)構(gòu)原理與檢修方法展開研究，保證換熱器發(fā)揮技術(shù)優(yōu)勢滿足行業(yè)應(yīng)用需要。

1 板式換熱器結(jié)構(gòu)組成

德國首次研發(fā)板式換熱器并推廣應(yīng)用至今，板式換熱器經(jīng)過多次技術(shù)更新，如今成為一種高效的新型換熱設(shè)備，由一堆金屬片堆疊呈波紋狀組成，包括傳熱板片、密封膠墊、固定與活動(dòng)夾緊板、夾緊螺栓、上下導(dǎo)桿、橡膠板、滾輪、支柱等組成。

（1）傳熱板片作為負(fù)責(zé)傳熱的核心組件，一般選用0.6 ～0.8mm 厚度的不銹鋼或金屬鈦材料所制，以人字形波紋較多。（2）密封膠墊是為了確保傳熱板片整個(gè)傳熱過程的密封性，一般選擇三元乙丙橡膠、食品橡膠、丁晴橡膠等耐高溫材料所制。（3）在板式換熱器的兩側(cè)設(shè)計(jì)夾緊板，主要起到對傳熱版的固定與拆卸作用。（4）為了緊固封頭與傳熱板片，通過使用通扣螺紋夾緊螺栓來實(shí)現(xiàn)。

2 板式換熱器故障失效機(jī)制分析

結(jié)合板式換熱器的應(yīng)用實(shí)際，以M 系列型號的板式換熱器為例分析故障失效機(jī)制，此設(shè)備選用304 不銹鋼為傳熱板，冷卻水與甲醇蒸汽分別作為換熱器的兩側(cè)介質(zhì)。冷卻水一側(cè)設(shè)定26℃與34℃的溫度條件，正常工作壓力范圍為0.15 ～0.3MPa；甲醇蒸汽一側(cè)設(shè)定80℃與50℃溫度條件，正常工作壓力范圍為0.015 ～0.3MPa。

2.1 傳熱片材料組織

本研究所用XQ-ZB 型號的金相試驗(yàn)鑲嵌設(shè)備，還有PG-2 型號雙盤金像拋光設(shè)備，通過金相顯微鏡觀察換熱器傳熱片，根據(jù)傳熱片所用材料的表面形貌，用于判斷材料組織的缺陷、分布與具體成相。選擇其中一塊失效的樣本，找出此樣本有不同腐蝕程度的三塊區(qū)域，進(jìn)行切割加工制備3 個(gè)試樣，設(shè)計(jì)1050 ～1100℃高溫環(huán)境中，迅速加溫后冷卻處理，在奧氏體內(nèi)固溶升溫產(chǎn)生的碳化物，直至降低正常室溫即可成功獲取奧氏體組織，使用金相顯微鏡觀察。發(fā)現(xiàn)呈晶體狀分布的孿晶，其中未腐蝕的該塊試樣為正常奧氏體組織；輕度腐蝕的該塊試樣有明顯腐蝕孔，周圍呈正常結(jié)晶分布；嚴(yán)重腐蝕的該塊試樣存在諸多腐蝕孔，周圍主要呈樹枝狀裂紋，在粗糙的組織表面顆粒脫落現(xiàn)象。此結(jié)果證明長期應(yīng)用中，板式換熱器故障實(shí)效的原因之一，可能是傳熱片材料腐蝕改變組織結(jié)構(gòu)所致。

2.2 傳熱片硬度

通過選用MVC-1000AI 型號維氏硬度測試儀設(shè)備，分析材料硬度過程如下：對3 塊試樣分別進(jìn)行正四棱錐體形狀的金剛石，進(jìn)行維持一段時(shí)間的壓力測試，將壓力卸除后，對試樣壓痕的長度仔細(xì)觀察，并對試樣硬度完成計(jì)算。以光滑密封槽、熱交換面作為本次硬度檢測的主要位置，設(shè)計(jì)9.807N 的測試壓力，維持測試時(shí)間共計(jì)10s，保持2mm 為一次測試試點(diǎn)間隔，共完成6 次測試計(jì)算均值。根據(jù)測試結(jié)果，密封槽的平均硬度238，與國際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的210 硬度標(biāo)準(zhǔn)相較超出。熱交換面的平均硬度205，在國際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定以內(nèi)符合要求。由此可見，密封槽硬度與熱交換面硬度相較更高，證明換熱器應(yīng)用中可能存在密封槽硬化故障，降低了材料塑性，且極大地提高了材料脆性，所以很容易出現(xiàn)后續(xù)使用中傳熱片裂紋，影響密封槽的正常使用期限。所以，可以得知，傳熱片硬度同樣關(guān)乎換熱器的故障實(shí)效。

2.3 傳熱片應(yīng)力

選用X-350A 型號的X 射線設(shè)備，以及XF-1 電解拋光設(shè)備測試換熱器傳熱片應(yīng)力情況。由于制備設(shè)備的切割、焊接處理過程中，存在設(shè)備殘存應(yīng)力的可能，而殘存應(yīng)力是否合理分布，將直接縮減設(shè)備的正常使用期限。所以，本文展開對故障傳熱板測試應(yīng)力分布情況，分別對兩側(cè)介質(zhì)進(jìn)行測試，分別選取密封槽、板片面6 個(gè)測試區(qū)域，并計(jì)算測試均值。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，密封槽為185MPa拉應(yīng)力均值，-100.6MPa 的壓應(yīng)力均值；板片面則為73.5MPa 的拉應(yīng)力均值，0MPa 的壓應(yīng)力均值。此結(jié)果反映出傳熱片所受拉應(yīng)力屬于主要?dú)埓嬗嗔Γ芊獠劾瓚?yīng)力明顯更大，所以一旦超出合理限值，就極易造成換熱器產(chǎn)生裂紋，證明過大的殘余應(yīng)力作為板式換熱器失效的重要原因。

3 板式換熱器檢修方法

設(shè)備整體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)方便拆裝，重量較輕，高效傳熱，緊湊的結(jié)構(gòu)組成。但是，極易發(fā)生外漏故障，由于換熱器板的間距較小，再加上流體通道狹窄，所以極易出現(xiàn)流體氣化擴(kuò)散，引發(fā)相關(guān)人員中毒傷亡等危險(xiǎn)情況。一旦發(fā)生流體外泄再混合空氣，就會(huì)形成爆炸性混合物，對工作環(huán)境及相關(guān)人員帶來嚴(yán)重?fù)p害，因此開展板式換熱器檢修工作中，采用合理的檢修方法，按照正確的檢修步驟，對于保障板式換熱器的安全可靠運(yùn)行意義重大，一般應(yīng)用以下幾種檢修方法。

3.1 設(shè)備解體

試壓查漏需要標(biāo)記外漏板片，明確重點(diǎn)檢查區(qū)域，并以對角線方向?qū)A緊螺桿螺母松開，拆卸活動(dòng)夾緊板維持基本平行。在全部松開活動(dòng)夾緊板和板片后，保持自由狀態(tài)然后將夾緊螺桿、螺栓推力軸承墊完全取下。這時(shí)，移動(dòng)已經(jīng)活動(dòng)狀態(tài)的夾緊板，與后立柱逐漸靠近，自尾板由外至內(nèi)逐個(gè)拆卸板片即可。但要注意在這個(gè)拆卸過程中，一定要避免強(qiáng)拉硬拽，預(yù)防板片發(fā)生明顯變形。將零部件拆卸后保持規(guī)范放置，避免板片出現(xiàn)意外劃傷、撞擊，以及螺栓推力軸承墊無端丟失的意外情況。保持齊平放置板片，尾板在下、頭板在上，不可顛倒反放頭尾兩部位。

3.2 清理板片

首先，將板片舊的密封墊細(xì)心去處后，保證密封槽呈現(xiàn)光滑表面，逐一清洗板片。這個(gè)過程中，一定要注意清洗時(shí)，避免高壓水槍壓力過大導(dǎo)致板片受水壓而出現(xiàn)變形情況。可以在檢修平臺(tái)平置板片，之后使用高壓水槍將表面殘存的雜質(zhì)，還有粘留在密封槽內(nèi)部的粘結(jié)劑徹底清理后，可以軟布擦拭注意避免劃傷導(dǎo)致板片腐蝕程度加重，清理之后依照與清洗之前的相反順序疊放即可。

3.3 檢查板片缺陷安裝墊片

將板片逐一清理后，吹風(fēng)保持表面干燥并仔細(xì)檢查，確保板片無任何缺陷，按照正確順序?qū)γ芊鈮|片進(jìn)行安裝。自尾板開始安裝，首先使用小刷子清理密封槽，所用刷子一定要保證不掉毛，均勻擦拭密封槽并涂抹粘結(jié)劑，與墊片黏連后，對板片安裝對應(yīng)孔卡住墊片的防脫抓卡鎖。確保安裝后墊片的整潔度，然后平置臺(tái)面逐塊按照朝下方向，疊放已黏連的墊片板片。注意這個(gè)過程中因?yàn)楣潭▕A緊板和頭板不允許任何流質(zhì)的存在，所以需要使用全角密封墊片設(shè)計(jì)于4 個(gè)圓孔處，確保冷熱流體不會(huì)流經(jīng)夾緊板、頭板間隙，完成最后一塊尾板的粘貼后，即完成了所有板片的粘貼工作。

3.4 組裝板片

組裝環(huán)節(jié)首先需要完全清洗設(shè)備干凈程度達(dá)標(biāo)后，依據(jù)板片組裝的具體順序與不同方向完成安裝，固定夾緊板作為換熱板墊片的標(biāo)準(zhǔn)側(cè)朝向，整齊墊靠并向尾板推動(dòng)活動(dòng)夾緊板，確保活動(dòng)夾緊板為平衡狀態(tài)。其次，對夾緊螺桿進(jìn)行安裝，對螺栓推力軸承墊與螺母安裝完成后，測量并調(diào)整具體寬度，控制平行度在650±5mm ※范圍內(nèi)，進(jìn)行無壓狀態(tài)下的夾緊設(shè)備安裝，夾緊標(biāo)準(zhǔn)尺寸范圍在518 ～533mm，確保尺寸均勻控制夾板平行度在2mm 以內(nèi)。然后操作專用螺母拆裝設(shè)備，緊固換熱器的定力矩，計(jì)算擰緊力矩M 公式如下：

式中，預(yù)應(yīng)力用Q0表示；擰緊力系數(shù)用Kt表示；螺栓直徑用d 表示。

由于擰緊力系數(shù)密切相關(guān)螺紋表面光潔度，擰緊的速度與潤滑情況，還有擰緊時(shí)的操作工具與溫度變化，參考以往研究一般Kt取值為0.2。預(yù)緊力的計(jì)算公式如下：

式中，螺紋處的螺栓有效橫截面積用As 表示，查閱相關(guān)文獻(xiàn)取值976mm2，螺栓材料在擰緊溫度20℃時(shí)的應(yīng)力用0σ表示。

螺栓一般實(shí)際擰緊力矩以計(jì)算結(jié)果的80%為取值標(biāo)準(zhǔn)，通過計(jì)算所獲的力矩?cái)?shù)值，與板式換熱器拆裝螺母專用設(shè)備油泵對應(yīng)壓力數(shù)值，螺栓緊固所用力矩為40MPa。對螺桿進(jìn)行編號并逐個(gè)安裝螺栓拉伸器共4 個(gè)，在安裝過程根據(jù)公式（1）、（2）計(jì)算可得緊固力矩結(jié)果為20MPa，在逐個(gè)緊固后都要對夾緊板的尺寸精準(zhǔn)測量，確保符合518 ～533mm 尺寸范圍標(biāo)準(zhǔn)，之后即可使用40MPa 力矩循環(huán)緊固。

3.5 維修方法

通常需要使用反沖洗法與化學(xué)清洗法維修傳熱片，設(shè)定反沖洗法的壓力值為工作狀態(tài)下的1.2 ～1.5 倍壓力值，使用反方向冷熱介質(zhì)沖洗過濾器，并使用鹽酸緩蝕溶液與清洗粉，保證傳熱片在清洗后的干凈整潔度。此外，為了避免清洗劑殘存于傳熱片表面，需要將適量添加劑加入其中，達(dá)到良好的反沖洗效果。

4 板式換熱器檢修試壓效果

通過對板式換熱器進(jìn)行檢修試壓，遵照相關(guān)檢修規(guī)程與操作標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)進(jìn)行氣密性試驗(yàn)，所用專門的試壓胎具，整個(gè)試驗(yàn)過程按照首先加壓至1.0MPa，保壓5min，檢測設(shè)備發(fā)生無泄漏，后續(xù)升壓至1.8MPa，現(xiàn)場檢查是否并無異常，在30min 保壓后并無任何泄漏，定壓達(dá)到合規(guī)標(biāo)準(zhǔn)。

5 結(jié)語

總而言之，通過本研究對板式換熱器的運(yùn)行原理與技術(shù)結(jié)構(gòu)掌握的基礎(chǔ)上，了解發(fā)生故障失效的關(guān)聯(lián)因素，作為換熱器檢修工作開展中需要重視的關(guān)鍵內(nèi)容，遵照相關(guān)檢修規(guī)程與操作標(biāo)準(zhǔn)，氣密性試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)換熱器的定壓合規(guī)，有效保障了設(shè)備的安全可靠性，希望本文可以為類似設(shè)備的檢修操作提供實(shí)踐參考。