管殼式換熱器管束失效形式預(yù)防措施及在線檢驗方法

摘要 管殼式換熱器由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜和工況的多樣性，常引發(fā)多種形式的失效。本文闡述了管殼式換熱器常見的失效形式、失效的原因及預(yù)防措施，介紹了管殼式換熱器失效的在線檢測方法，為管殼式換熱器的設(shè)計、制造和使用提供借鑒。

關(guān)鍵詞：管殼式換熱器 管束 失效 預(yù)防措施

1.前言

鋼制管殼式換熱器以其結(jié)構(gòu)堅固、可靠性高、適應(yīng)性強(qiáng)和選材廣等優(yōu)點而廣泛應(yīng)用于石化生產(chǎn)行業(yè)。然而，由于結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和使用工況的多樣性，也常常出現(xiàn)局部失效甚至整體報廢。某石化公司各生產(chǎn)裝置管束式換熱器每年故障及更換管束所花費就達(dá)數(shù)百萬元，而且影響裝置生產(chǎn)的平穩(wěn)運行及環(huán)保達(dá)標(biāo)。

2.管殼式換熱器管束失效形式及預(yù)防措施

管殼式換熱器的主要零部件包括筒體、換熱管、接管、管板、折流板、封頭等，在不同的工況和介質(zhì)環(huán)境下，可能會發(fā)生多種形式的失效。從結(jié)構(gòu)上分析，易發(fā)失效的部位是各構(gòu)件間的連接處，如管子和管板的連接處；從受力角度分析，尤其是應(yīng)力突變處易引起失效，如筒體和管板的焊縫處；從使用工況分析，頻繁地開停機(jī)而引起換熱管的流體誘導(dǎo)振動、由于高溫高壓而引起熱應(yīng)力或附加應(yīng)力、工作介質(zhì)具有腐蝕性等，都會造成筒體、換熱管甚至整機(jī)失效。

2.1振動失效

殼程流體流速的提高及換熱器經(jīng)常開停會導(dǎo)致管束的誘導(dǎo)振動，最終使管束失效。由于管束的支撐物——折流板的尺寸及布置不同，流體誘導(dǎo)振動的程度各異，具體的失效形式有：①碰撞破壞。當(dāng)管束的振幅足夠大時，換熱管之間互相碰撞，管束外圍的換熱管與殼體內(nèi)壁發(fā)生碰撞，使管壁磨損變薄，最終發(fā)生開裂；②折流板處換熱管切開。折流板孔和換熱管之間一般存在徑向間隙，換熱管的橫向振動會引起管外壁與折流板孔的內(nèi)表面產(chǎn)生摩擦，如果折流板的厚度較小，就會對換熱器產(chǎn)生“鋸切”作用，在短時間內(nèi)將換熱管“切開”發(fā)生局部失效；③疲勞失效。換熱管材料本身存在缺陷或者由于腐蝕和磨損產(chǎn)生了缺陷，在振動引起的交變應(yīng)力作用下，位于主應(yīng)力方向上的裂紋會迅速擴(kuò)展，導(dǎo)致?lián)Q熱管疲勞失效。

預(yù)防措施：①合理開停工。在流體入口前設(shè)置緩沖板，減少脈沖；②優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計，減小折流板間距，增大管壁厚度和折流板厚度；③折流板上的管孔與換熱管采用緊配合，控制間隙；④改變支撐物形式，如折流板改為折流桿，有效消除流體誘導(dǎo)振動。

2.2腐蝕和磨蝕失效

腐蝕是管殼式換熱器主要失效形式。除了換熱介質(zhì)本身的腐蝕性外，工作介質(zhì)中的氧、氫、硫、氯等含量較高，殼體或換熱管存在拉應(yīng)力，換熱管與管板之間存在縫隙等都會加重腐蝕，進(jìn)而引起換熱器失效。腐蝕的形態(tài)主要有：均勻腐蝕、孔蝕、晶間腐蝕、應(yīng)力腐蝕、沖蝕、縫隙腐蝕、氫腐蝕、雙金屬腐蝕八種類型。常見的腐蝕部位依次是換熱管、管板、換熱器封頭及小直徑接管。腐蝕和磨蝕失效的主要原因：①污垢腐蝕；②流體為腐蝕性介質(zhì)；③管內(nèi)壁有異物積累而發(fā)生局部腐蝕；④管內(nèi)流速過大而發(fā)生磨蝕；⑤管端發(fā)生縫隙腐蝕等。

預(yù)防措施：①工藝介質(zhì)具有酸堿性，在換熱器設(shè)計選材時就做了相應(yīng)考慮，所以一般只會引起均勻腐蝕，不是腐蝕失效的主要原因。②氧腐蝕。換熱器多為碳鋼制造，冷卻水中溶解的氧所致的氧極化腐蝕極為嚴(yán)重。預(yù)防措施：對冷卻水盡可能除氧；采用鉻錳鋼等抗氧化腐蝕能力強(qiáng)的鋼材。③氫腐蝕。在高溫高壓臨氫環(huán)境下，金屬中的碳與氫發(fā)生反應(yīng)生成甲烷氣體。另外，溶解在鐵晶格中的氫原子在低溫低壓下易聚集成氫分子。如果生成的氣體位于金屬深層，就會造成氫致開裂。預(yù)防措施：降低氫濃度。④硫腐蝕。硫主要以硫化氫的形式存在，硫化氫在有水分且濃度達(dá)到10ppm以上時，如果金屬材料硬度低于HB235，就可能產(chǎn)生硫化氫應(yīng)力腐蝕，金屬失效形式也是氫鼓泡或氫致開裂。預(yù)防措施：提高金屬材料的強(qiáng)度，降低硫化氫的濃度。⑤應(yīng)力腐蝕。應(yīng)力腐蝕是金屬材料在拉應(yīng)力和特定的腐蝕環(huán)境共同作用下，以裂紋形式發(fā)生的腐蝕失效。產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕的條件主要有三個：拉應(yīng)力、特定的介質(zhì)環(huán)境、特定成分組織的金屬。防止應(yīng)力腐蝕的主要措施：消除拉應(yīng)力，如對裝配應(yīng)力可通過熱處理等方法加以消除；控制介質(zhì)濃度和溫度；合理選材，如選用高純度鐵素體不銹鋼等材料來制造換熱管。⑥縫隙腐蝕：換熱器中由于兩構(gòu)件接觸面存在很小的縫隙，介質(zhì)進(jìn)入到縫隙死角中，造成內(nèi)外的介質(zhì)濃度差，在電化學(xué)作用下發(fā)生縫隙腐蝕。如換熱管與管板之間的焊接處以及污垢的附著部位都會發(fā)生縫隙腐蝕。預(yù)防措施主要是減小縫隙、減小結(jié)垢等。

3.管殼式換熱器失效的在線檢測方法

3.1結(jié)垢

換熱器操作一段時間后，如果管壁結(jié)垢嚴(yán)重，則傳熱能力下降，換熱介質(zhì)出口溫度達(dá)不到設(shè)計工藝參數(shù)要求。可通過定期檢查流量和壓力溫度等記錄來判定結(jié)垢情況進(jìn)行處理。

3.2腐蝕和磨損

換熱介質(zhì)、污垢、流體速度等都會使換熱器殼體和換熱管內(nèi)、外表面產(chǎn)生腐蝕磨損。對殼體通常采用超聲波測厚儀或其他非破壞性測厚儀，從外部測定和估計會產(chǎn)生腐蝕、減薄的殼體部位。對換熱管在破裂錢腐蝕和磨損情況檢測方法是：對于非磁性體換熱管，最有效的診斷方法是采用渦流探傷，可測定換熱管壁厚減薄量，也可測得缺陷厚度。

3.3泄漏

換熱管中部由于腐蝕、誘導(dǎo)振動等原因發(fā)生破裂，管端由于腐蝕、高溫蠕變、疲勞破壞等原因使換熱管與管板的連接處泄漏，可通過低壓流體出口取樣分析其顏色、粘度、比重來檢測管束的泄漏和破壞情況。如果低壓介質(zhì)為水或氣體，則通常采取就地排液的方法加以直觀判斷。

3.4振動

換熱管與泵、壓縮機(jī)共振，回轉(zhuǎn)機(jī)械產(chǎn)生的直接脈動沖擊，以及流體誘導(dǎo)振動等，可通過振動測試儀或由振動聲響來判斷振動情況。

4結(jié)束語

由分析可見，管殼式換熱器的失效與材料、結(jié)構(gòu)、換熱介質(zhì)及工況等多種因素有關(guān)，有時是幾種因素共同作用的結(jié)果。因此，在換熱器的選材、設(shè)計、制造、裝配和使用過程中要綜合考慮各種影響因素，防患于未然。

參考文獻(xiàn)

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