一、管殼式換熱器組成結構
管殼式換熱器是一種傳統的、應用最廣泛的熱交換設備。由于它結構堅固,且能選用多種材料制造,故適應性極強。管殼式換熱器廣泛應用于各個行業,在水泥生產企業常用作設備稀油站的油冷卻器,用作車輛發動機油冷卻器等。長期以來,鋼制管殼式換熱器以其結構堅固、可靠性高、適應性強和選材廣等優點在換熱器的生產和使用數量上一直占主導地位。隨著強化傳熱等技術的發展,管殼式換熱器在制造技術和傳熱性能上也不斷提高。然而,由于結構的復雜性和使用工況的多樣性,也常常出現換熱器的局部失效甚至整體報廢。
管殼式換熱器的主要零部件包括:筒體、封頭、管束、管板、折流板、接管、法蘭等,在不同的工況和介質環境下,可能會發生多種形式的失效。從結構上分析,易發生失效的部位是各構件間的連接處,如管子和管板的連接處;從受力角度分析,在結構的曲面不連續,尤其是應力突變處往往由于存在附加應力而引起失效,如筒體和管板的焊縫處;從使用工況分析,由于高溫高壓而引起熱應力或附加應力、工作介質具有腐蝕性、頻繁地開停機而引起換熱管的流體誘導振動等,都會造成筒體、換熱管甚至整機失效。
二、管殼式換熱器的原因
1、管束腐蝕和磨蝕失效
換熱器的失效大多數是由腐蝕引起的。最常見的腐蝕部位是換熱管,然后依次是管板、換熱器封頭及小直徑的接管。
管束腐蝕和磨蝕失效的主要原因有:
①污垢腐蝕;
②流體有腐蝕性;
③管內壁有異物積累而發生局部腐蝕;
④管端發生縫隙腐蝕等。
預防措施包括:
①定期清洗管束;
②合理選材;
③在流體中加入緩蝕劑;
④在流體入口設置過濾裝置和緩沖結構等;
2、傳熱能力下降
在換熱器運行過程中,由于工作介質的硬度較高,或流體中含有顆粒物、懸浮物,都會導致管束內、外壁嚴重結垢。隨著污垢層的增厚,傳熱熱阻很快增大,嚴重時污垢將會使工作介質流道阻塞,從而導致換熱能力迅速降低。
預防的方法是:
①充分掌握易污部位、致污物質及污垢程度,進行定期檢查;
②當流體很容易結垢時,必須采用容易檢查、拆卸和清理的設備或結構;
3、管束泄漏
在換熱介質腐蝕、應力腐蝕、間隙腐蝕或碰撞、磨損等情況下,管子上將產生微觀裂紋,如果存在高拉應力或交變應力,裂紋會迅速擴展而發生泄漏。此時,現場常用堵管的辦法作為一種應急修復措施。實際上堵管后由于增大了溫差應力,從而加快了自身的應力腐蝕,因而管子很快會發生更嚴重的破壞,以至造成管束整體報廢。預防管束泄漏的方法應從選材、防腐、防損傷、減小拉應力和防止振動等方面考慮。操作中一旦發現管束泄漏,應盡量拆管更換,而不要堵管。
4、管束與管板的連接失效
根據換熱器的使用工況不同,管束與管板的連接接頭形式可分為焊接、脹接和脹焊并用三種。接頭形式不同,失效形式也各異。在焊接時采用常規方法進行焊接的產品,大修時可改變焊接方式來加強換熱管與管板之間的焊縫強度。
①將單面焊接改為雙面焊;
②變管板與管束前端的平齊焊接結構為管束伸出一定長度的角型焊接結構,制造專用的工裝將管束與管板由平放位置改為立放狀態,變換熱管與管板前側的垂直焊接形式為水平焊接形式以達到角焊接的焊接要求。
通過上述二種方法改進焊接工藝,可收到良好的效果。筒體失效殼體與管束所處的工作環境基本相同,因而殼體的失效形式、預防措施可參照管束。
腐蝕是管殼式換熱器主要失效形式。除了換熱介質本身的酸堿性具有腐蝕性之外,工作介質的腐蝕性,以及殼體或管子存在拉應力,管子與管板之間存在縫隙等都會加速腐蝕,進而引起換熱器失效預防措施主要有:減小縫隙,選擇耐蝕材料,提高焊縫質量,定期清洗,流體中加人緩蝕劑,控制系統的溫度波動,減少法蘭連接。
三、管殼式換熱器失效在線檢測方法
1、結垢：換熱器操作一段時間后,如果管壁結垢嚴重,則傳熱能力下降,換熱介質出口溫度達不到設計工藝參數要求;污垢將管內徑變小;流速相應增大;壓力損失增加。這時,可通過檢查流量、壓力和溫度等操作記錄來判定結垢情況。
2、腐蝕和磨損：換熱介質、污垢等作用都會使換熱器殼體和管子內、外表面產生腐蝕磨損。對殼體通常使用測厚儀,從外部測定和估計會產生腐蝕、減薄的殼體部位。
3、泄漏：管子中部由于腐蝕、誘導振動等原因發生破裂管端由于腐蝕、疲勞破壞等原因使管子與管板的連接處泄漏。可通過流體取樣,來檢查管束的泄漏和破壞情況。
由以上分析可見,管殼式換熱器的失效與材料結構、換熱介質及工況等多種因素有關,有時是幾種因素共同作用的結果。因此,在換熱器的選材、設計、制造、裝配和使用過程中要綜合考慮各種影響因素,以防患于未然。