供暖系統(tǒng)板式換熱器失效原因和維修技術研究

劉鎧，張奇，李永哲

（吉林省四平地質(zhì)工程勘察院，吉林 四平 136001）

換熱器是工業(yè)生產(chǎn)領域中廣泛應用的熱量交換設備，換熱設備主要作用是使熱量從熱流體傳遞到冷流體滿足工業(yè)流程需要，換熱設備在化工廠中投資約占總投資的10%～20%。近年來，工業(yè)生產(chǎn)中對換熱器需求不斷加大，國內(nèi)使用換熱器多為列管與螺旋板換熱器。目前，管殼式換熱器在化工煉油等工業(yè)中得到了廣泛應用，新型焊接板式換熱器具有頂部溫差小、費用低等優(yōu)點，適用于冷卻冷凝、加熱等方面。板式換熱器是系列波紋板片疊加成的新型高效換熱器，因具有換熱效率高等優(yōu)點在石油化工等行業(yè)得到了廣泛應用。板式換熱器板片薄、傳熱效果好，板片結構決定換熱器傳熱阻力等性能，增減板片數(shù)量可滿足板式換熱器生產(chǎn)改變工藝條件的要求。板式換熱器設計使用中經(jīng)常發(fā)生泄漏等失效事故，分析板式換熱器損壞原因研究維修技術具有現(xiàn)實意義。

1 供暖系統(tǒng)板式換熱器研究

1.1 板式換熱器類型與結構形式

換熱器根據(jù)冷熱流體熱量交換方式分為間壁式與蓄熱式，板式換熱器近幾年得到了迅速發(fā)展，在各領域得到廣泛應用。板式換熱器是由多個具有波紋形狀的金屬薄板相互平行方式堆疊組裝，板式換熱器應用廣泛種類眾多，根據(jù)外形包括板卷式與可拆卸板式換熱器等。近些年焊接板式換熱器在國內(nèi)外得到開發(fā)應用，全焊接板式換熱器組成部分包括換熱板片、副流體側嘴等部分，板束側面裝配四塊面板，折流板安裝在板束上使流體改變流動方向。板片換熱元件結構決定其傳熱性能，人們研發(fā)出多種波紋形狀板片，需要研究優(yōu)化換熱器板片設計減少故障損壞。

1.2 板式換熱器特點

換熱器熱傳遞工藝裝置種類繁多，根據(jù)冷熱流體熱量傳遞原理分為蓄熱式與間壁式，間壁式換熱器應用最廣泛，主要特點是冷熱流體被金屬管板作為固體壁面隔開，熱量通過金屬筆傳遞。間壁式換熱器可在高溫高壓下使用在石化工業(yè)中應用廣泛。板式換熱器是由系列波紋形狀金屬片疊裝壓緊成的新型高效間壁式換熱器，板式換熱器是薄金屬板相疊形成，釬焊時換熱器傳熱系數(shù)較高，銅釬焊板式換熱器是銅箔材料在真空釬焊爐形成板式換熱器。全焊接板式換熱器具有板式換熱器傳熱性能，拓寬板式換熱器的應用領域，其耐高溫高壓特點確保取代大部分傳統(tǒng)管殼式換熱器工況。金屬波紋板片是板式換熱器主要換熱元件，人字形與水平平直波紋板片在工業(yè)中廣泛應用。人字形波紋板片傳熱效率高流動阻力大，隨著流速提高，流體在流道內(nèi)阻力增長快。板式換熱器為熱分系數(shù)a 的提高依賴流體條件的改變，組成的流道方向不斷改變，低流速時激起強烈湍動，使流體在換熱器內(nèi)均勻分布。

1.3 板式換熱器的應用

板式換熱器是工業(yè)供暖系統(tǒng)傳熱中的重要設備，具有冷熱流進出口溫差大、熱負荷高等特點。傳統(tǒng)管殼式換熱器傳熱效率較低，單元裝置規(guī)模較大需采用多臺并聯(lián)方式，系統(tǒng)總壓降較小，在多臺設備并聯(lián)運行時難以實現(xiàn)熱負荷均勻分配，立置管殼式混合進料換熱器不能滿足裝置擴能改造的要求，板式換熱器自制冷裝置應用后日益得到人們的重視，現(xiàn)有板式換熱器板片波紋以人字形最多，板式換熱器阻力較大成為限制其應用的主要因素，許多學者研究分析板式換熱器波紋傾角對傳熱性能的定量影響。近年來，開發(fā)系列新型板式換熱器促進生產(chǎn)量的提高，焊接型板式換熱器質(zhì)量輕、運行成本低等優(yōu)勢受到人們的關注，當前板式換熱器存在工作溫度壓力低等缺點，我國板式換熱器制造應用相比國外存在較大差距，合理選擇版型是板式換熱器優(yōu)化合計的重要課題。

2 供暖系統(tǒng)板式換熱器故障失效原因分析

現(xiàn)有能源主要是煤炭油氣等資源，合理利用現(xiàn)有能源成為世界性的研究課題。換熱器是衡量利用能源的關鍵設備，換熱器合理設計對能量有效利用開發(fā)具有重要意義。板式換熱器是用薄金屬換熱板片疊裝成的換熱設備，因其高效緊湊近年來得到迅速發(fā)展。目前，國內(nèi)開發(fā)板片規(guī)格形式少，需要加強研究分析板片適用范圍。板式換熱器由于多種原因?qū)е率В枰到y(tǒng)總結故障失效原因采取有效的維修措施。

2.1 板式換熱器失效形式

近年來，板式換熱器快速發(fā)展在醫(yī)藥、暖通等工業(yè)領域廣泛應用。板式換熱器種類日益增多，根據(jù)連接方式分為焊接式與可拆式換熱器，板式換熱器使用中由于操作不當?shù)仍驅(qū)е鲁霈F(xiàn)故障失效影響供暖系統(tǒng)的正常運行。機械產(chǎn)品零部件失效形式有多種，板式換熱器主要出現(xiàn)變形與腐蝕失效。板式換熱器由于密封結構設計不合理等原因發(fā)生泄漏等失效事故，板式換熱器流通截面積小易產(chǎn)生堵塞。結構堵塞導致?lián)Q熱面被污染導致阻力增大壓降過大，金屬材料經(jīng)常在物理機械因素作用下產(chǎn)生破壞。

目前，板式換熱器應用研究存在承壓承溫能力限制其應用范圍擴大，增大換熱系數(shù)提升換熱效果，不能準確計算滿足強度要求的板材強度等方面問題。板式換熱器板片是由不銹鋼等材料薄板壓制，板片組裝壓緊力過大橫向剛度不能抵抗塑性變形導致發(fā)生泄漏事故。板片兩側流體壓力差較大，影響傳熱效果造成泄漏事故。密封墊片變形失效是發(fā)生永久壓縮變形，腐蝕是材料表面受周圍環(huán)境介質(zhì)化學作用導致破壞現(xiàn)象，板式換熱器板片腐蝕以局部點縫隙與應力腐蝕為主，換熱板片不銹鋼薄板鈍化膜破壞后發(fā)生腐蝕，板式換熱器出現(xiàn)腐蝕主要是應力腐蝕破裂。板式換熱器縫隙腐蝕主要是發(fā)生在垢層底部，腐蝕擴展由于閉塞電池作用快速發(fā)展催化。應力腐蝕是腐蝕與拉應力作用造成材料破壞，加工制造產(chǎn)生殘余應力等應力腐蝕是板式換熱器主要腐蝕破壞形態(tài)。

2.2 板式換熱器失效故障原因

失效是材料的累積損傷過程，失效分析是研究機械產(chǎn)品零部件使用中發(fā)生失效現(xiàn)象特征規(guī)律查找原因提出預防措施的技術管理活動。換熱器化工設備安全運行影響裝置的生產(chǎn)安全，換熱器在石化設備損壞中占比最高，板式換熱器失效分析期限短，工作效率要求高，需要有正確的分析思路得到正確結論。板式換熱器失效客觀規(guī)律是失效分析的理論基礎，失效分析思路是以通過觀察檢查獲得失效信息綜合分析判斷失效事件類型原因。失效分析程序主要包括明確目標要求、失效件觀察檢測等。目前失效分析技術包括痕跡與斷口分析技術。

板式換熱器設計制造中由于保養(yǎng)不及時等原因發(fā)生泄漏，內(nèi)漏是壓力較高側介質(zhì)串如低壓側介質(zhì)中，泄漏事故主要由于密封失效引起。目前板式換熱器密封墊片材料有壓縮石棉纖維等。板片安裝時密封墊片用膠水粘在板片密封槽內(nèi)，生產(chǎn)運行中因操作不當?shù)纫鸸ぷ鲏毫Σ▌樱姑芊鈮|片位移導致密封失效泄漏。板式換熱器流通截面積小結垢易產(chǎn)生堵塞，板片腐蝕產(chǎn)生堆積造成失效，結構堵塞導致?lián)Q熱面被污染傳熱效果差，結垢形式包括析晶顆粒與化學反應腐蝕結構等。板式換熱器通道間隙較小，大直徑顆粒雜物堵塞板片通道導致設備失效。板片腐蝕產(chǎn)物堆積堵塞通道，換熱器相鄰板片波紋頂端相互交叉形成大量觸點形成湍流作用，介質(zhì)中固體雜物集聚產(chǎn)生污垢積瘤。板片密封槽處常發(fā)生縫隙腐蝕造成介質(zhì)外漏。金屬材料受周圍介質(zhì)作用在物理機械作用下產(chǎn)生破壞，電化學腐蝕是金屬材料與電解質(zhì)溶解接觸發(fā)生破壞。板式換熱器板片應力腐蝕破裂常發(fā)生在密封槽底部，發(fā)生應力腐破裂原因包括板片間支承點處易結垢等。

3 供暖系統(tǒng)板式換熱器失效維修技術

供暖系統(tǒng)中換熱器是能量轉(zhuǎn)換單元，兩側流體隨外界環(huán)境擾動變化，為控制換熱器出口溫度處于需求范圍必須合理設計控制系統(tǒng)，板式換熱器在外界擾動等因素下運行，換熱器運行動態(tài)特性是設計分析控制系統(tǒng)的重要依據(jù)。實踐中換熱設備控制系統(tǒng)失效主要由于錯誤估計動態(tài)特性，了解換熱器穩(wěn)態(tài)下熱力學特性是亟待研究的課題。換熱器性能受到波紋間距傾角與高度等因素的影響出現(xiàn)故障，需要研究處理板式換熱器失效故障，保證供暖系統(tǒng)換熱器設備正常運行。

某公司在物業(yè)熱交換站安裝使用4 臺BR11 型板式換熱器，投用初期運行狀況良好，后期換熱效果下降傳熱板片堵死無法進行換熱影響供暖。傳熱板片是換熱器主要起換熱作用的組件，按照流體介質(zhì)材質(zhì)不同。板式換熱器密封墊片主要起密封作用，兩端壓板主要是夾緊壓住傳熱板片保證流體介質(zhì)不泄漏。夾緊螺栓主要起緊固封頭的作用，預緊螺栓時用力矩扳手使固定板片力矩均勻。通過運行發(fā)現(xiàn)，板式換熱器存在循環(huán)水側異物較多，板片表面結垢嚴重，密封墊片局部老化，蒸汽側溫度高部分發(fā)生塑性形變。與板片結合牢固表層較厚波形槽填滿，循環(huán)水系統(tǒng)塑料填料片等聚集造成流體通道多處局部堵塞。針對換熱器失效現(xiàn)象分析原因，系統(tǒng)蒸汽溫度達200℃循環(huán)水與板片間摩擦力影響造成水垢形成，局部堵塞導致水循環(huán)阻力增大形成局部表面高溫，產(chǎn)生局部堵塞引起更多水垢，局部堵塞引起水垢發(fā)展。水處理中化學劑對定脯橡膠有腐蝕作用，部分密封墊片老化發(fā)生塑性變形失效。循環(huán)水硬度達500mg/L 水處理系統(tǒng)處理效果不好加劇污垢形成。

板式換熱器板片流體通道為人字形波紋溝槽，面向板片貼膠墊面人字形朝下A 板和B 板交替組裝，居民家用暖氣片大多為老式813 型鑄鐵暖氣片，暖氣改造施工工程質(zhì)量把關不嚴，灰塵鐵銹通過水循環(huán)進入換熱器入口未設過濾器造成雜物聚集形成堵塞。針對換熱器失效問題采取加強工程質(zhì)量監(jiān)督管理，將換熱器與系統(tǒng)分開避免管網(wǎng)中雜質(zhì)進入換熱器；運行中對系統(tǒng)水與軟化水進行嚴格水質(zhì)化驗合格后注入供暖管。供暖系統(tǒng)循環(huán)水系統(tǒng)增設過濾器，考慮在熱交換器前增加過濾設備，全自動過濾器是利用濾網(wǎng)攔截水中的雜質(zhì)去除顆粒物，減少系統(tǒng)污垢銹蝕等產(chǎn)生凈化水質(zhì)的精密設備。智能化設計系統(tǒng)可自動識別雜質(zhì)沉積程度，全自動過濾器克服傳統(tǒng)過濾產(chǎn)品納污量小過濾部分需拆卸清洗等缺點，具有自動對過濾清洗排污功能，清洗時間短耗水量少，過濾器裝配智能控制系統(tǒng)與自動清洗裝置。供暖系統(tǒng)中應保持管網(wǎng)中的清潔避免換熱器堵塞，板式換熱器使用中水處理設備運行不當，將不合格軟化水注入系統(tǒng)中，使碳酸鹽遇熱分解為碳酸鈣粘結在換熱器受熱面形成水垢，造成換熱器換熱效率降低及熱能浪費。目前，清洗劑采用酸洗包括有機酸與無機酸，甲酸清洗液中加入緩沖劑清洗效果好，甲酸可有效清除板片上的水垢，甲酸清洗水垢工藝為對換熱器進行開式?jīng)_洗提高酸洗效果降低耗酸量；將柱滿酸溶液換熱器靜態(tài)浸泡2 小時，每隔0.5h 進行正反交替清洗，酸液pH 值大于2 可重復使用。酸洗后用NaOH 軟化水按比例配置，對換熱器堿洗達到酸堿中和避免板片腐蝕。堿洗后用軟化水對換熱器沖洗0.5h，清洗中記錄各步驟時間檢查清洗效果，對換熱器打壓實驗合格后使用。

4 結語

21 世紀全球經(jīng)濟呈現(xiàn)出高速發(fā)展態(tài)勢，隨著各經(jīng)濟體對能源需求的攀升，很多學者開始研究如何節(jié)能降耗合理利用能源實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。工業(yè)生產(chǎn)消耗大量能源大部分以熱能形式進行利用轉(zhuǎn)換，換熱器是使處于不同溫度流體實現(xiàn)相互間熱量傳遞的節(jié)能設備，在空調(diào)制冷等行業(yè)領域廣泛應用。換熱器噸位約占工藝設備的20%，板式換熱器因其良好傳熱效果、造價低廉等優(yōu)點，廣泛應用于余熱回收等領域，換熱器使用中受到多方面因素影響出現(xiàn)故障失效，需要全面分析換熱器失效原因，采取有效的維修處理技術。