管殼式換熱器的維護

文/Dominik Stephan

本文將介紹管殼式換熱器維護的工作原理和維護策略——為什么有些換熱器會出現(xiàn)故障，而有些換熱器卻可以年復一年地可靠運行？管道的幾何形狀有什么影響以及維護選項有哪些？雖然幾乎所有過程工廠都離不開換熱器，工廠這些設備本身在運行中好似一個個黑匣子，但有一點可以有所改變：如果在了解哪些換熱器會污染、污染原因以及應當如何應對之后，就可以節(jié)省能源和清潔費用從而節(jié)約成本。

無論是在煉油廠、煙氣處理廠還是化工廠，換熱器都是工廠建設中不

高壓下作業(yè)

可或缺的主力。然而，當沉積物、結(jié)殼堵塞管道時，一直在生產(chǎn)中連續(xù)使用的換熱器反而會造成損失。如果是在最壞的情況下，即使是小于0.5 mm的薄層也會導致40%~90%的“熱傳遞”損失。大量研究得出的結(jié)論是，由于換熱器臟污引起的額外能源消耗可能導致全球多排放1%~2.5%的二氧化碳，發(fā)達國家的額外成本可能占GDP的25%。

通過適當?shù)木S護程序，管殼式換熱器可以長期保持可靠和高效。然而，這項不受歡迎的任務通常被委托給服務供應商，希望設備在這些專業(yè)人士的手中能得到妥善處理。但是通常情況下，甚至沒有統(tǒng)一和有說服力的標準來評估清潔工作的成功與否。

事實上，清潔并不意味著立即清潔：目前已經(jīng)有大量技術能夠提供徹底的表面處理解決方案。無論是使用化學制劑、高壓水射流、超聲波還是鉆進管道，每種方法都有其優(yōu)點和缺點，必須根據(jù)系統(tǒng)操作員所處的實際情況進行適當選擇。任何想要清潔換熱器的人都面臨著必須拆卸和打開設備的問題，即使管束已從外殼中拉出，污染也絕不是隨意可以排出的。尤其是管道內(nèi)部很容易發(fā)生堵塞，為此維護人員經(jīng)常依靠高壓水射流進行清潔，因為大多數(shù)服務提供商都熟悉這種方法。但通常情況下，這種看似簡單的解決方案在實踐中也存在缺陷：工作量較大，過程較長。清潔過程需要大量的能源和寶貴的水，并且由于產(chǎn)生的噪聲，工作過程讓人感到非常不舒服。使用480 kWxh的電機驅(qū)動100 MPa的泵時，高壓每分鐘消耗256 L的水，每小時消耗24 L燃料。此外，處理高壓也存在一定的危險。但是，其中最重要的一個依據(jù)莫過于這種方法特別是在清潔硬結(jié)殼方面的能力只是中等程度。

但還有另一種方法：即使用刷子或刮刀進行機械式管道清潔，這些方法越來越多地被自動控制所替代。例如來自科隆的J?nsch公司使用壓縮空氣“射擊”水的沖洗圓形空心鉆頭在長達8 m的管道中，或者可以使用柔性軸將沖洗水或清潔工具帶到難以進入的內(nèi)管中的應用位置。在奧地利AC R?dler公司的R?dler管道清潔工藝（RTC）中，使用特殊的鉆頭輕輕去除沉積物，并使用黃銅導軌對管道進行拋光。由于配合的準確性，不會留下殘余的覆蓋物，因此光滑的表面幾乎不會形成新覆蓋物的加工面。制造商解釋說，使用R?dler管道清潔工藝（RTC）可以在3 min內(nèi)清潔和再生一條3 m長的完全堵塞的管道。所使用的電動機每小時只需要5 kW，每分鐘大約需要10 L水。然而，該種方法并非適用于所有情況，提前是合適的機器和專家必須來到工廠現(xiàn)場。此外，只有直的內(nèi)管可以進行清洗，這使得化工行業(yè)常見的U形彎管換熱器的清洗成為問題。

在機械式清潔工藝種，可以省去化學準備，從而降低排放風險和能源成本

生產(chǎn)殘渣、石灰、鹽和懸浮物會迅速堵塞管道

超聲波和熱解

在這種情況下，超聲波清洗可提供一種補救措施：將管束從換熱器夾套中拉出，并浸入裝有清洗液的盆中。超聲波使材料振蕩，從而形成空化氣泡，釋放的能量可以清除表面的污垢和殘留物。該種方法是新方法且相對復雜，但在管道外部使用效果較好。

荷蘭一家煉油廠的研究表明，對堵塞的管道進行超聲波清洗通常需要使用高壓噴槍“打開”，然而，與“純”高壓相比，操作員能夠節(jié)省超過75%的工作和86%的水。根據(jù)荷蘭的最終報告，盡管投資增加，但總成本可節(jié)省高達50%。操作員可以用熱解爐一次性清洗整個管束，其中有機污染物在450℃左右的低氧氣氛中分解，可以作為氣體或粉塵分離。

衡量清潔成功與否

清潔工作做得越好越徹底，熱傳遞效果就越好。如果該值呈現(xiàn)懸崖式持續(xù)下降，則必須以更短的時間間隔對設備進行清潔，如果仍然低于其可能性，結(jié)果將是過早地報廢。這就是為什么需要標準來衡量換熱器中的污染程度或清潔過程的成功與否。后者還是比較簡單的：把清洗前后的熱傳遞進行劃分，得到一個清洗質(zhì)量的特征值。

為了確定臟污程度，制造商Talcyon使用了Apris聲學脈沖方法，可利用特征回聲在幾秒鐘內(nèi)對臟污、堵塞或侵蝕損壞進行定位。憑借軟件的精確評估和較短的測量時間，該方法（在2021年獲得了Frost & Sullivan的最佳實踐獎）可以說領先于光譜學、渦流方法或“侵入式”超聲波測量。

為了“從外部”探究管道中的流量，可以測量入口和出口的質(zhì)量流量和溫度，或者可以將超聲波傳感器作為精確定義的測量部分連接到管道上。例如，Systec Controls以實際案例的形式提供相應完整的打包解決方案。然而，設備傳遞熱量的能力是無法直接測量的。因此，人們需要通過測量壓力、溫度和質(zhì)量流量等來確定維護措施的最佳時間。

德國工業(yè)清潔協(xié)會成員兼高級咨詢工程師Hans-Jürgen Kastner先生解釋道，無論是前瞻性的還是嚴格按照計劃進行的，所有的維護策略都有一個共同點：目標應該始終是“裸露的管道”。

這位資深的行業(yè)顧問一直致力于換熱器維護方面的研究，并主張改變對機組的認識：由于即使是看似輕微的污染也會產(chǎn)生巨大的后果，因此沒有其他方法可以解決傳輸功率的損失。由于大約0.5 mm會降低40%~99.7%的熱傳遞，因此表面清潔很難帶來任何明顯的改善。更糟糕的是，如果管中還殘留有一層薄薄的污垢，很快就會導致傳熱幾乎完全失效。

結(jié)語

這位工程師明白，在具有無數(shù)換熱器的典型工業(yè)工廠中，只有少數(shù)的換熱器容易結(jié)殼和堵塞。根據(jù)Kastner的說法，從經(jīng)濟角度來看，正是這些設備也證明了在定期維護之外進行監(jiān)控的合理性。他接著說道，“如果操作員缺乏換熱器維護經(jīng)驗，換熱器的尺寸有時會過大兩倍”。將維護措施納入工程階段會更有意義，例如不使用U形管，這樣簡單的措施會大大擴展清潔的可能性。