在役換熱設備運行故障分析與在線檢測方法的淺析

張婧

（1.甘肅省特種設備檢驗檢測研究院，甘肅 蘭州 730050：2.國家節能換熱設備質量監督檢驗中心（甘肅），甘肅 蘭州 730050）

0 引言

換熱設備又稱熱交換器，其原理是將熱能傳導最終達到工藝流程所規定的溫度指標，確保生產體系熱能供應安全平穩。近年來，在加快我國工業化和產業化進程的同時，對節能降耗、提高能源利用率的需求日益增強[1]。換熱設備作為節能設備之一，國內外對換熱設備的需求量一直持續增長，伴隨著換熱設備在石化、化工、熱電等工業裝置上的廣泛使用，換熱設備因缺乏在線檢測、監管，導致換熱設備本體的腐蝕、結垢、泄漏等問題日趨突出，使用過程中換熱設備能源利用率低、能耗大，使換熱設備作為節能設備的功能性大打折扣。因此對換熱器的檢測也成為了換熱設備行業發展的最重要的環節之一。目前，國內對換熱器的檢測僅僅局限于具備換熱性能檢測能力的實驗室內的規定工況下的熱工性能及其流體阻力特性檢測。由于換熱設備檢測平臺體積大、建設成本高，因此國內具備換熱設備檢測資質和能力的實驗室較少，企業送檢換熱設備成本較高。另外，換熱設備的檢測需要較長時間的運輸和檢測周期，無法滿足對在線運行的換熱設備的檢測。以往對在線運行的換熱設備的檢測并不完善，如換熱效率是通過介質的溫差來人工判斷，腐蝕狀況主要是通過換熱設備出現嚴重泄漏后對其介質產生了明顯的影響才發現，而這將導致大面積介質污染。另外，換熱設備所存在的問題經常造成生產系統非計劃檢修，生產系統開、停工運行成本將大幅增加，能源浪費嚴重，因此，換熱設備的在線檢測與故障分析手段已經成為迫切的需要。

1 換熱設備在線運行存在的故障

換熱設備是化工生產中重要工藝和節能設備之一，如在石油煉制和石油化工裝置中，換熱設備約占總工藝設備的40%，由于對其的缺乏在線檢測，使換熱設備檢修工作時間長，約占檢修總工作時間的60%-70%[2]，在長期運行的過程中常常發生以下故障，無論出現下述何種故障，都會降低換熱器的換熱效率，影響系統的正常運行，當換熱設備發生泄漏等較大故障時，將導致生產物料被污染，生產產品不合格等重大影響。換熱設備在運行過程中經常會出現的故障可以總結為泄漏、流體輸送動力增加（壓降增大）、換熱能力下降、噪聲增大等，究其原因主要為腐蝕、磨損、振動、結垢[3]。

1.1 腐蝕和磨損

換熱設備的腐蝕和磨損可總結為以下幾種類型：

（1）應力腐蝕。換熱設備在線運行過程中承受溫差應力和壓力載荷雙重應力狀態，使換熱設備內部構建如管殼式換熱器的管束的脹接接頭、管板與殼體連接處存在拉應力集中，加之不銹鋼等材料的使用帶來的材料的敏感性，與運行介質中腐蝕介質的參與，構成了應力腐蝕的三嚴重，最終導致換熱設備在這些敏感部位的應力腐蝕開裂。

（2）電化學腐蝕。換熱設備的電化學腐蝕易發生在縫隙處、死角處以及結垢位置，這些位置使流體流速降低，位置內、外介質的存在濃度差，形成濃差電池，為電化學腐蝕創造了有利條件，常見的電化學腐蝕類型有縫隙腐蝕、垢下腐蝕等，最終導致換熱設備在這些薄弱位置上腐蝕導致局部開裂。

（3）氧腐蝕。換熱設備介質若充實大量的氧，當介質流速較高、存在溫度梯度較大時，易發生氧腐蝕，生成的氧化膜質地較疏松時，在振動強烈、往復循環、或者金屬材料膨脹系數差別較大的換熱體系中，疏松的氧化膜易脫落，常此循環往復，金屬不斷減薄，導致發生氧腐蝕穿孔泄漏。

（4）疲勞腐蝕。換熱設備循環往復運行是疲勞發生的主要原因之一，加之腐蝕介質的共同作用，構成腐蝕疲勞，疲勞和腐蝕相互促進，縮短了換熱設備的使用壽命。

（5）沖刷腐蝕。換熱設備腐蝕和磨損往往是交互作用的，換熱介質中的腐蝕產物、污垢、或是含有固體小顆粒的氣體等在較高寫循環流速下，將會導致換熱設備的沖刷腐蝕，在換熱設備上留下沖蝕溝槽，減薄設備本體，最終導致設備的泄漏。

1.2 振動

振動過大會引起換熱設備泄漏、噪聲和阻力增大等嚴重問題。在保證換熱特性的前提下，適當地降低流速是防止換熱設備振動的有效方法之一。在設計方面，增加換熱設備的自振頻率等都可以減小換熱設備的振動。

1.3 結垢

運行過程中換熱設備介質的硬度高、介質中含有雜質成分等都會導致換熱設備的結垢，結垢會導致的換熱能力、導熱性能下降，以及換熱體系壓降的增大。換熱設備結垢主要有沉降結垢、析晶結垢、生物型結垢等，預防結垢應從設備結構及運行工藝方面考慮，適當的控制溫度計流速，介質循環過程中加入防腐劑、消毒劑等都能起到預防結垢的作用。

2 換熱設備檢測技術發展狀況

對于換熱設備的檢測國內是以GB/T27698-2011《熱交換器及傳熱元件性能測試方法》、JB/T10379-2002《換熱器熱工性能和流體阻力特性通用測定方法》標準中熱工性能和流體阻力測試基本原理為基礎，所設計的檢測系統。依照標準要求測量計算換熱設備的產品外形尺寸、板片數量、板片厚度、板片波紋深度、夾緊尺寸、板間距、當量直徑、總換熱面積等。通過傳感器采集換熱設備在標準要求工況下運行的冷、熱介質的進、出口溫度，壓力及流量等參數。2019年1月由國家市場監督管理總局頒布TSG R0010-2019《熱交換器能效測試與評價規則》對液-液工況下的可拆式板式熱交換器、半焊式板式熱交換器、釬焊板式熱交換器產品的能效測試與評價適用?，F有的檢測標準往往針對具備換熱設備檢測資質和能力的實驗室對新工藝、新制造換熱設備的性能檢測和能效評價。而企業實際運行時對在役換熱設備檢測，通常將冷、熱側介質進、出口溫度、壓力、流量等數據，發送到具備檢測資質的實驗室進行數據的計算，最終分析換熱設備可能存在的問題，這種方法缺乏檢測的依據、對在線測試數據的準確程度也有待考量；并且所檢測換熱設備通常已經出現較大故障，或已出現安全隱患，經實驗室分析后對于換熱設備的處理方法，也多為停車檢修和更換為主，造成了時間和經濟的浪費。

國外換熱設備檢測標準有NF E38-321-199《熱交換器 熱交換器性能的定義和確定各種熱交換器性能的試驗程序》、BS EN305:1997《換熱器的性能定義和評價所有換熱器性能的一般測試程序》等，明確可進行三類換熱器的檢測：①新換熱器的型式試驗；②新換熱器的驗收試驗；③使用中的換熱器的性能試驗。對于使用中的換熱器的性能檢驗規定可在現場進行。它可進行簡單的監測活動用于確定裝置的一般特性。對使用中的換熱器的試驗原則上與新（清潔）裝置相同，檢驗目的為確定換熱器的結垢與腐蝕程度。通過定期測定在役換熱器的換熱效率，指導換熱設備的清洗及更換周期。英標BS EN305:1997中對現場檢測方法并沒有做明確的說明，僅僅提到現場檢測時很難測得額定工況下的溫度與流量，需要記錄不同工況下的相關參數并繪制曲線用以確定換熱器性能，而在歐洲標準中的各個分支應用中給出了測量換熱器性能采用的程序。

3 在役換熱設備在線檢測與故障分析方法

換熱設備在線檢測方法，即實時監控換熱設備在工況下的運行情況，根據溫度、壓力、流量傳感器采集的數據計算出換熱設備的吸、放熱量、傳熱效率、換熱設備能效，換熱設備的流量、壓力、溫度損失變化值；擬合出實時測試曲線，從而實現對換熱設備傳熱性能及流體阻力特性的在線分析，主旨建立換熱設備正常工況工作下的數據模型，及時對換熱設備可能出現的故障進行排查，通過分析流體壓力計進出口壓降變化，結合換熱設備換熱效率，換熱設備的熱阻值變化，確定換熱設備清洗周期。在換熱設備冷、熱側管道進、出口安裝接觸式的流量計采集冷、熱側介質流量變化，通過流量損失的變化趨勢，判斷換熱設備是否發生泄漏，確定換熱設備檢測泄漏周期。

在役換熱設備在線檢測方法是在換熱設備的冷、熱側的進、出口分別安裝插入式溫度傳感器、壓力變送器數據采集裝置，實時接收、計算、處理集成傳感器上傳的檢測數據；通過曲線實時反映各管道數據變化；實時計算出換熱設備吸、放熱量、換熱效率[4]；通過分析流體壓力計進出口壓降變化，結合換熱設備效率，換熱設備的熱阻值變化，確定換熱設備清洗周期。在換熱設備冷、熱側管道進、出口安裝接觸式的流量計采集冷、熱側介質流量變化，通過流量損失的變化趨勢，判斷換熱設備是否發生泄漏。通過在線對壓力、溫度、流量以及進口物料條件的變化的檢測，預防壓降、溫度反復變化由熱應力循環引起的熱疲勞，以及換熱設備產生的強烈振動，降低換熱介質的腐蝕性、磨損性等[5]。

4 結語

本文針對在役換熱設備運行過程中缺乏檢測監管，出現問題便面臨停車檢修、更換的現狀，依托換熱設備實驗室檢測平臺對以往送檢的新研發、新制造換熱設備性能和能效測試的經驗，研究換熱設備在線檢測工藝，最大程度提升換熱設備的使用壽命，降低能耗輸出，落實節能降耗目標，填補在役換熱設備在線檢測的技術空白。旨在拓寬換熱設備性能測試方法，重視在役換熱設備“健康狀況”，提高節能效率，填補在役換熱設備在線檢測的技術空白；推進建立在役換熱設備故障診斷方法，評估在役換熱設備狀態，指導換熱設備定期清洗、檢修，提升運行安全性和經濟性；逐步建立在役換熱設備在線運行的能效評價方法，最大程度地提高換熱設備的換熱效率和使用壽命。