管壳式换热器零部件失效形式及预防措施
【中国制冷网】一、管壳式换热器组成结构
管壳式换热器是一种传统的、应用最广泛的热交换设备。由于它结构坚固,且能选用多种材料制造,故适应性极强。管壳式换热器广泛应用于各个行业,在水泥生产企业常用作设备稀油站的油冷却器,用作车辆发动机油冷却器等。长期以来,钢制管壳式换热器以其结构坚固、可靠性高、适应性强和选材广等优点在换热器的生产和使用数量上一直占主导地位。随着强化传热等技术的发展,管壳式换热器在制造技术和传热性能上也不断提高。然而,由于结构的复杂性和使用工况的多样性,也常常出现换热器的局部失效甚至整体报废。
管壳式换热器结构图
管壳式换热器工作原理
管壳式换热器的主要零部件包括:筒体、封头、 管束、管板、折流板、接管、法兰等,在不同的工况和介质环境下,可能会发生多种形式的失效。从结构上分析,易发生失效的部位是各构件间的连接处,如管子和管板的连接处;从受力角度分析,在结构的曲 面不连续,尤其是应力突变处往往由于存在附加应力 而引起失效,如筒体和管板的焊缝处;从使用工况分 析,由于高温高压而引起热应力或附加应力、工作介质具有腐蚀性、频繁地开停机而引起换热管的流体诱导振动等,都会造成筒体、换热管甚至整机失效。
二、管壳式换热器的原因
1、管束腐蚀和磨蚀失效
换热器的失效大多数是由腐蚀引起的。最常见的腐蚀部位是换热管,然后依次是管板、换热器封头及小直径的接管。
管束腐蚀和磨蚀失效的主要原因有:
①污垢腐蚀;
②流体有腐蚀性;
③管内壁有异物积累而发生局部腐蚀;
④管端发生缝隙腐蚀等。
预防措施包括:
①定期清洗管束;
②合理选材;
③在流体中加入缓蚀剂;
④在流体入口设置过滤装置和缓冲结构等;
2、传热能力下降
在换热器运行过程中,由于工作介质的硬度较 高,或流体中含有颗粒物、悬浮物,都会导致管束内、 外壁严重结垢。随着污垢层的增厚,传热热阻很快增大,严重时污垢将会使工作介质流道阻塞,从而导致换热能力迅速降低。
预防的方法是:
①充分掌握易污部位、致污物质及污垢程度,进行定期检查;
②当流体很容易结垢时,必须采用容易检查、拆卸和清理的设备或结构;
3、管束泄漏
在换热介质腐蚀、应力腐蚀、间隙腐蚀或碰撞、 磨损等情况下,管子上将产生微观裂纹,如果存在高 拉应力或交变应力,裂纹会迅速扩展而发生泄漏。 此时,现场常用堵管的办法作为一种应急修复措施。 实际上堵管后由于增大了温差应力,从而加快了自 身的应力腐蚀,因而管子很快会发生更严重的破坏, 以至造成管束整体报废。预防管束泄漏的方法应从选材、防腐、防损伤、减小拉应力和防止振动等方面考虑。操作中一旦发现管束泄漏,应尽量拆管更换, 而不要堵管。
4、管束与管板的连接失效
根据换热器的使用工况不同,管束与管板的连接接头形式可分为焊接、胀接和胀焊并用三种。接头形式不同,失效形式也各异。在焊接时采用常规方法进行焊接的产品,大修时可改变焊接方式来加 强换热管与管板之间的焊缝强度。
①将单面焊接改为双面焊;
②变管板与管束前 端的平齐焊接结构为管束伸出一定长度的角型焊接 结构,制造专用的工装将管束与管板由平放位置改 为立放状态,变换热管与管板前侧的垂直焊接形式 为水平焊接形式以达到角焊接的焊接要求。
通过上述二种方法改进焊接工艺,可收到良好的效果。筒体失效壳体与管束所处的工作环境基本相同,因而壳体的失效形式、预防措施可参照管束。
腐蚀是管壳式换热器主要失效形式。除了换热介质本身的酸碱性具有腐蚀性之外,工作介质的腐 蚀性,以及壳体或管子存在拉应力,管子与管板之间 存在缝隙等都会加速腐蚀,进而引起换热器失效 预防措施主要有:减小缝隙,选择耐蚀材料,提高焊 缝质量,定期清洗,流体中加人缓蚀剂,控制系统的温度波动,减少法兰连接。
三、管壳式换热器失效在线检测方法
1、结垢：换热器操作一段时间后,如果管壁结垢严重,则 传热能力下降,换热介质出口温度达不到设计工艺 参数要求;污垢将管内径变小;流速相应增大;压力 损失增加。这时,可通过检查流量、压力和温度等操 作记录来判定结垢情况。
2、腐蚀和磨损：换热介质、污垢等作用都会使换热器壳体和管 子内、外表面产生腐蚀磨损。对壳体通常使用测厚 仪,从外部测定和估计会产生腐蚀、减薄的壳体部位。
3、泄漏：管子中部由于腐蚀、诱导振动等原因发生破裂 管端由于腐蚀、疲劳破坏等原因使管子与管板的连 接处泄漏。可通过流体取样,来检查管束的泄漏和 破坏情况。
由以上分析可见,管壳式换热器的失效与材料 结构、换热介质及工况等多种因素有关,有时是几种 因素共同作用的结果。因此,在换热器的选材、设计、制造、装配和使用过程中要综合考虑各种影响因素,以防患于未然。
