利用TRIZ分析列管換熱器泄漏原因與處理措施

李英利，陳 群，顏 康

(常州工程職業技術學院，江蘇 常州 213164)

1 引言

換熱器是化工、石油、動力等許多工業部門的通用設備。目前應用最廣泛的列管換熱器也稱管殼式換熱器與其它幾種間壁換熱器相比，具有制造容易、結構簡單、設備堅固的特點，可用金屬材料或非金屬材料來制造。在石油石化單位中的溫度高、壓強大和尺寸大的裝置中大多采用管殼式換熱器。列管換熱器主要由殼體和折流板組成的殼程以及由管束、管板和封頭等部件組成的管程兩大部分構成。列管換熱器泄漏是很多企業生產過程中經常出現的問題之一，主要是管子的泄漏和密封墊子損壞造成的泄漏引起。當列管換熱器發生泄漏時，一般分為內漏和外漏兩種情況，不僅影響生產，還可能造成設備損害和工作人員的傷害事故。因此我們對導致管殼式換熱器泄漏的原因要加以仔細的分析。發生內漏時，判斷較難一些，可以根據介質的流量、壓力、溫度等參數顯示的異常，輔以設備的振動和異常聲音綜合加以判斷。如果發生外漏，檢查相對容易一些，可以用肥皂水等試驗是否發生泄漏。

而應用TRIZ理論中矛盾矩陣的知識來解決實際工程問題時，包括上面提到的列管換熱器的泄漏問題，是非常有效的，一般采用以下16個步驟來進行。

(1)技術系統的命名。本技術系統為冷熱流體的熱量交換系統。

(2)明確技術系統的主要功能。該熱量交換系統的主要功能是將溫度高的熱流體的熱量傳遞給溫度低的冷流體。

(3)分解技術系統。可將換熱系統的設備分解為殼程和管程兩大部分稱之為子系統。殼程內還可以細分為橫向安裝的折流擋板，殼體外側的殼程進、出口接管，有的殼程內還布置有縱向擋板，構成多殼程。安裝縱向擋板，是為了使流體多次通過殼體空間，稱為多殼程。有的管程內還布置有隔板，構成多管程。為提高管內流體速度，可在兩端管箱內設置隔板，將全部管子均分成若干組。這樣流體每次只通過部分管子，因而在管束中往返多次，這稱為多管程。

(4)描述技術系統，關鍵子系統，零部件之間的相互依賴關系和作用。折流擋板是為了提高管外流體(也是走殼程的流體)的傳熱分系數。擋板可提高殼程流體速度，迫使流體按規定路程多次迂回曲折地橫向通過管束，增強流體的湍動程度。管箱內設置隔板，則可以提高管內流體的傳熱分系數。管程分為管板、管束，多根換熱管構成的管束在管板上可按正三角形、轉角正三角形、正方形、轉角正方形、同心圓排列。其中正三角形排列時，優點在于較緊湊，布置的管子數較其它方式為多，并且易于加工，管外流體湍動程度高，傳熱分系數大，缺點是不好清潔污垢，流體流動的阻力也較大；正方形排列則管外清洗方便，適用于易結垢的流體，但布置的管子數目較正三角形為少。

(5)定位問題所在的系統和子系統，對問題進行準確的描述。換熱器發生泄漏時，主要在管程內漏或者殼程外漏。首先應學會判斷是否發生泄漏。可觀察換熱器前后介質的成分濃度的變化和換熱前后溫度的變化是否在正常范圍，并和以往的分析組成、溫度相對比，可以初步判定是否發生泄漏。例如異丁烷脫氫換熱器，原料進料的異丁烷含量高，反應后異丁烷基本轉化為異丁烯，由于原料壓力大于反應系統壓力，所以如果換熱器泄漏可能表現為反應后產物異丁烯含量明顯下降，換熱溫差變小，加熱爐燃料量下降等。而對于循環水水冷器一般通過水與介質壓差判斷泄漏方向，如果介質壓力變高，要對循環水排水或水池進行觀察并及時檢測水質；如果循環水壓力變高，則需要檢查后續系統或產物是否帶水等。再如，如硫磺冷凝冷卻器管束泄露，除氧水進入液硫線，會導致硫磺凝固、液硫線堵塞，明顯是管子泄漏所致。

(6)定系統應被改善的特性。主要為密封性能要加強，如選擇材質好的密封墊；焊縫部分焊接質量高。能夠使管程和殼程做到完全隔開，不使冷熱流體相混合，同時強化二者之間的傳熱，使冷熱流體換熱后的溫度達到要求。

(7)定系統被惡化的特性。當溫度被改善后，裝置的可靠性是被惡化的特性。

(8)將(6)和(7)兩步驟確定的參數，用通用工程參數來描述。溫度是被改善的參數，裝置的可靠性是被惡化的參數。

(9)描述工程參數表示的矛盾。冷熱流體強化傳熱使溫度被改善時，換熱裝置可靠性變差。

(10)反向描述該技術矛盾。如果改善換熱裝置可靠性，則冷熱流體強化傳熱使溫度被惡化，由此可知這是一對技術矛盾。

(11)查阿奇舒勒矛盾矩陣表，確定發明原理。從矩陣表查找17和27對應的方格，得到推薦的發明原理序號共4個，分別是：19，35，3，10。

(12)由序號查找發明原理匯總表，得到發明原理名稱。得到這4條發明原理依次是：19-周期性動作；35-物理/化學狀態變化；3-局部質量； 10-預先作用。

(13)按照發明原理的名稱，查找發明原理的序號。發明原理序號共4個，分別是：19，35，3，10。

(14)逐個推敲每個原理在具體問題上如何應用和實現。3較好，19，35，10也能提供對解決問題有幫助的積極想法。

(15)若發明原理均不適合，要再次定義工程參數和矛盾，重復應用和查找矛盾矩陣。實際本系統不需要再次重復。

(16)最后得到理想的解決方案，進入設計階段。最后得到原理3為最佳解決原理。

當然這是細致的劃分，實際應用時可以簡化為四個主要步驟，而將16個小步驟全部包含其中。下面就采用簡化的四個步驟進行分析。

2 利用TRIZ理論探討列管式換熱器泄漏原因分析及處理措施

采用以下四個步驟[1]：

2.1 確定工程參數

這里列管換熱器的管程和殼程就是我們要研究的技術系統。管程泄漏大多情況發生在換熱管泄漏上，要分為管身泄漏和管口泄漏。可以采用殼程水壓試驗或者殼程氨滲漏試驗來判斷，當介質滲漏不是從管頭而是從管內，那基本可以判斷是換熱管泄漏了。發現泄漏了如何查找漏點？首先可以考慮在線查找，從低壓側采樣，看看有沒有高壓側的組份；二是切出看效果；三還是切出后在裝置現場解體打開封頭，并在管程加水試壓確定漏點。管子泄漏數不多時，如果是固定管板式，可利用立式鉆床將管頭焊縫清除，然后取出泄漏的換熱管，重新換管，如果是U型管，則只能堵漏，用加工成圓錐形的堵頭將一根管子兩頭堵死，具體是在兩頭各用榔頭砸入一個圓錐型的塞子，再周邊焊死。總之列管式換熱器在操作時，往往在實施強化傳熱措施比如增大流體的流量，增加管程數或者殼程數時，卻卻造成了換熱器的內外泄漏。

由以上的分析我們不但發現，現存的主要問題是：為了更好的傳熱，冷熱流體溫差較大會使傳熱推動力增大，利于強化傳熱，熱流體的溫度盡快下降和冷流體的溫度從速升高是我們所希望的，這是我們想要改善的特性。用通用工程參數中"17溫度"表示，即改善的參數。但是冷熱流體的溫度差異使會使殼體程和管程產生了較大的熱應力，特別是溫差超過50℃以上時，其破壞力巨大，能使管子從管板上拉斷，甚至造成整臺換熱器的毀壞。這是被惡化的特性。用通用工程參數表示為"27可靠性"，即被惡化的參數。

2.2 查找阿奇舒勒矛盾矩陣

想要改善的參數：17溫度。被惡化的參數：27可靠性。從阿奇舒勒矛盾矩陣表中查找縱向17和橫向27交叉對應的格子，得到4個推薦的發明原理序號，分別是：3，10，19，35，得到這4條發明原理依次是：3——局部質量； 10——預先作用；19——周期性動作；35——物理/化學狀態變化。

2.3 發明原理的分析

3-局部質量：使發生問題的局部構件質量得到較大提升。可能的設計是，在管束的制造過程中，對管端口和管板的局部結合處要進行嚴格的質量控制，以保證可靠性。可以選用焊接法、脹接法、先焊后脹焊脹結合的方法。其中脹接對管板變形等影響小,但制造工藝復雜,承受壓力波動、溫度變化差,在常見管殼式換熱器應用已逐漸減少。脹接加焊接結構雖然克服脹接強度不夠和焊接存在應力腐蝕、破裂等缺點,但制造工藝更加復雜,且在制造過程中脹接和焊接過程會相互影響,難控制制作質量,成本高,僅用于特殊使用要求場合。而焊接因管板加工要求低,制造工藝簡便,有較好緊密性,應用最為普遍。

泄漏發生以后的處理措施，也是改善局部質量的措施具體分析如下。在發現換熱器管子有泄漏時要根據管子的損壞數量的多少采取下一步的措施。一般管子泄漏不多時用"堵"的辦法，多時用“換”的辦法。如對浮頭式換熱器，可以做一個"假帽子"，它是為了管束檢漏，堵漏，改造后的換熱器"大帽子"，相當于封頭，但又不同于封頭。做的目的，是實現殼程密閉打壓，以露出兩端的管板，便于找漏堵管。參見圖1。此方案對問題的徹底解決最有效。

圖1 浮頭式換熱器堵漏

10——預先作用：事先完成部分或全部的動作或功能；或在方便的位置預先安置物體，使其在第一時間發揮作用，避免時間的浪費。具體來說，制造換熱器過程中應該選擇厚管板，以增加管板強度，同時保證和管束之間的安裝連接的密封和強度的各項要求，以使管程和殼程的流體完全隔開又不致泄漏。其次是在開工運行上要嚴格遵循預先制定好的操作規程。開車前應對壓力表、溫度計、安全閥、流量計、液位計和相關閥門等進行的仔細檢查并確定是否完好。使換熱器開車平穩運行。通入熱流體前先要通冷流體，避免驟冷驟熱，以保證換熱器不受損壞。經常檢查冷熱流體的進出口溫度和壓力變化情況，發現異常要立即做出應變，及時消除故障，防患于未然。此原理對問題的解決也有較大的貢獻。

19——周期性動作：管子發生周期性振動會造成管子局部

受損嚴重直到泄漏。管中流體流動會產生動態力作用在管子上，從而導致管子振動。目前有不少學者認為管子振動的機理可歸納為如下四種：

a.旋渦脫落激振

管子表面周期性脫落的旋渦可產生周期性的流體力。若管子的固有頻率恰好和旋渦脫落頻率相同，便使管子共振。

b.湍流抖振

流體的極度紊流會誘發管子的振動。紊流漩渦使管子受到隨機的波動的作用力，會導致大幅度的管子振動。紊流不是引起管子振動的最主要原因，但是引起流體彈性激振的主要原因。

c.流體彈性不穩定性

流體彈性不穩定性是動態的流體力與管子的運動相互作用的結果。當氣體、液體、或氣液兩相流體流過管束時，最為常見并最具破壞性的是流體彈性不穩定性。因此是激振機理中最重要的一個。

d.聲共振

一般聲共振只產生強烈的噪聲，對管子不會造成損害。但若旋渦脫落頻率同時與管子的固有頻率、聲頻一致時，則管子很快被破壞。

根據此原理我們要盡可能避免管子的振動，以避免可能引發換熱器管束的泄漏，因而對問題的解決也有貢獻。

35——物理/化學狀態變化：蒸汽冷凝和液體的沸騰也會使管子振動或者造成熱應力。尤其是有氣液兩相流動存在的情況，會產生水擊等現象，造成管子或殼體的振動。此方案對問題的徹底解決貢獻較少，本文不作過多討論。

2.4 發明原理的應用

綜合分析以上4條發明原理可知，局部質量是對解決問題最有效果的發明原理，其次是預先作用原理、周期性動作原理和物理/化學狀態變化。焊接法、脹接法、先焊后脹焊脹結合的方法正是基于發明原理13“局部質量”來進行了設計改造管束與管板的連接的。從設備制造和工藝操作兩方面做好預防工作，也是有利于防止管口泄漏的方案。

3 總結

利用TRIZ矛盾矩陣理論圓滿地分析解決了列管換熱器泄漏問題的原因和解決方案，值得其他工程應用領域方面大力推廣此理論。

[1] 楊清亮.發明是這樣誕生的:TRIZ理論全接觸[M].北京:機械工業出版社,2006.