板式換熱器板片的損壞原因和對策

李永哲，劉鎧，張奇

（吉林省四平地質工程勘察院，吉林 四平 136001）

換熱設備是使熱量從熱流體傳遞到冷流體的設備，化工廠中換熱設備投資約占總投資的10%～20%，換熱設備主要作用是使熱量由高溫流體傳遞給低溫流體滿足工業流程需要。國內使用換熱器多為列管與螺旋板換熱器，交換系數相差較大的介質在管內外進行熱量交換效率較低，雖然出現大量結構緊湊高效的換熱器設備，但管殼式換熱器仍占據主導地位。新型焊接板式換熱器具有頂部溫差小費用低等優點，適合在化工領域廣泛使用。板式換熱器板片薄傳熱效果好，傳熱系數k 值比管殼式換熱器提高3 ～5 倍，增減板片數量可滿足板式換熱器生產改變工藝條件的要求。板式換熱器使用中由于各種原因導致板片失效損壞，需要分析板式換熱器板片損壞的原因研究有效處理對策。

1 板式換熱器研究

1.1 板式換熱器類型特點

換熱器是用于工業生產中熱量傳遞的重要設備，工作中可以充當生產工藝設備的組成部分，換熱器可用作加熱預熱器及轉發器等，近年來，對換熱器需求不斷加大促進產業市場的發展，目前節能高效成為工業生產中的重要方面，因此板式換熱器近年來得到了迅速發展，由于其緊湊性好等優點在各領域得到廣泛應用。板式換熱器具有傳熱系數高，占地面積小與價格低等優點，但目前我國板式換熱器研究設計水平相比國外存在很大差距，提高板式換熱器綜合性能是設計研究工作中需要解決的重要問題。

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，冷熱流體在板片兩側交互流動，板式換熱器應用廣泛種類眾多，根據外形包括焊接板式、板卷式與可拆卸板式換熱器等。焊接板式換熱器具有使用溫度范圍大等優點因此在國內外得到了開發應用，主要形式有全焊接與板焊接式換熱器。全焊接板式換熱器組成部分包括換熱板片、折流板及副流體側嘴等部分，板片間通過縱向焊接焊縫相對固定，板束側面裝配四塊面板，板束上下壓板維持壓力使板束處于密封狀態，折流板安裝在板束上使流體改變流動方向。板片是板式換熱器主要傳熱元件，人們研發出多種波紋形狀板片，板片波紋形成板束的介質流道通過板片進行換熱。

1.2 板式換熱器原理

板式換熱器是系列相互平行的薄金屬板相疊形成，冷熱流體在板片各自流道流動，釬焊時換熱器傳熱系數較高，銅釬焊板式換熱器是純度高于99%的銅箔材料在真空釬焊爐高溫作用下形成板式換熱器。板式換熱器主要換熱元件是金屬波紋板片，工業中廣泛應用的波紋板片為人字形與水平平直波紋板片。人字形波紋板片傳熱效率高流動阻力大，流體在多變流道中流動消耗更多能量。隨著流速提高流體在流道內阻力增長快，提高流速具有局限性。板式換熱器為熱分系數a 的提高依賴流體條件的改變，相鄰板片的間隙通常為2 ～8mm,組成的流道方向不斷改變，流體在流道流動遇到多次流向變化，低流速時激起強烈湍動，有效降低界面處液膜的熱阻，使流體在換熱器內均勻分布。板片是板式換熱器的主要換熱元件，板片結構決定其傳熱性能，需要研究換熱器板片優化設計減少故障損壞保證設備正常運行。

1.3 板式換熱器的應用

現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，許多學者采用可視化技術等手段掌握板式換熱器波紋傾角對傳熱性能的定量影響。板式換熱器是工業傳熱中的重要設備，隨著技術的進步，近年來，開發系列新型板式換熱器，適用范圍不斷擴大，促進生產量的提高。焊接型板式換熱器是余熱污水利用中的關鍵設備，近年來，因其質量輕、運行成本低等優勢受到了人們的關注。目前板式換熱器研究發展趨勢是強化傳熱性能，增大流體處理量，研制新型適用于腐蝕介質板片提高工作壓力溫度。

2 板式換熱器失效故障分析

板式換熱器是通用的熱能動力機械設備，因其高效緊湊近年來得到了迅速發展。板式換熱器是用薄金屬換熱板片疊裝成的換熱設備，換熱器板片間形成許多小流通斷面流道，在相同流動阻力情況下傳熱系數高，各國學者在傳熱特性、結構設計等方面開展大量研究工作，出現蒸發冷凝等多種用途板式換熱器。目前，國內開發板片規格形式少，需要加強對板式換熱器的研究分析板片適用范圍。板式換熱器生產使用中由于多種原因導致失效，需要系統總結板式換熱器失效故障原因，采取有效的處理措施。

2.1 板式換熱器失效形式

板式換熱器設計使用中由于密封結構設計不合理、壓緊操作不當等原因發生泄漏等失效事故，換熱器存在結垢問題，板式換熱器流通截面積小易產生堵塞，板片腐蝕產生堆積造成堵塞失效。結構堵塞導致換熱面被污染，嚴重時導致阻力增大壓降過大。換熱器腐蝕大量普遍存在，金屬材料經常在物理機械因素作用下產生破壞。機械產品零部件失效是損傷擴展到破壞的發展過程，失效形式有多種，失效分析是機械產品零部件使用中發生失效現象特征規律查找原因提出預防措施的技術管理活動。板式換熱器長期工作在高溫壓力環境中主要出現變形與腐蝕失效。

板式換熱器板片是由不銹鋼等材料薄板壓制，板片用模具壓制形成溝槽可增大剛度，板片組裝壓緊力過大橫向剛度不能抵抗塑性變形導致發生泄漏事故。板片兩側流體壓力差較大引起板片發生可恢復彈性變形，影響傳熱效果造成泄漏事故。密封墊片變形失效是橡膠墊片在夾緊力作用下發生永久壓縮變形。腐蝕是材料表面受周圍環境介質化學作用使材料破壞現象，板式換熱器腐蝕主要是板片腐蝕，板片腐蝕以局部點縫隙與應力腐蝕為主。換熱板片大多由不銹鋼薄板壓制，但鈍化膜破壞后發生腐蝕，局部腐蝕速度較快不易發現，板式換熱器出現腐蝕主要是應力腐蝕破裂。板式換熱器縫隙腐蝕主要是發生在板片與密封墊間及垢層底部，縫隙內耗盡形成氧濃度差電池造成腐蝕破壞，腐蝕擴展由于閉塞電池作用快速發展催化。應力腐蝕是腐蝕與拉應力作用造成材料破壞，應力來源包括加工制造產生殘余應力等，應力腐蝕是板式換熱器主要腐蝕破壞形態。

2.2 板式換熱器失效故障原因

板式換熱器失效原因復雜，失效分析期限短工作效率要求高，大多數失效分析關鍵性試樣有限，需要有正確的分析思路得到正確結論。失效是材料的累積損傷過程，板式換熱器失效客觀規律是失效分析的理論基礎，失效分析思路是以失效規律為依據，通過觀察檢查獲得失效信息結合作為統一綜合分析，判斷失效事件類型原因。失效分析要有合理的程序，失效分析程序主要包括明確目標要求，現場取證及背景資料收集，失效件觀察檢測等。目前廣泛應用的失效分析技術包括痕跡分析法與斷口分析技術。

板式換熱器設計制造中由于板片安裝不當、保養不及時等原因發生泄漏，應力腐蝕破裂等失效事故。內漏是壓力較高側介質串如低壓側介質中，常在檢查系統中壓力溫度出現異常時發現，泄漏事故主要由于密封失效引起，密封墊安裝與壓力溫度是影響密封失效的主要因素。目前，板式換熱器密封墊片材料有壓縮石棉纖維、聚四氟乙烯包覆防護橡膠等。板片安裝時，密封墊片用膠水粘在板片密封槽內，密封墊片和密封槽對位必須準確。生產運行中因操作不當等引起工作壓力波動，造成瞬時壓力陡增，使密封墊片位移導致密封失效泄漏。板式換熱器板片支承點處常發生點腐蝕，板片密封槽處常發生縫隙腐蝕造成介質外漏。腐蝕是換熱器損壞的重要原因，金屬材料受周圍介質作用在物理機械作用下產生破壞，化學腐蝕是金屬表面與周圍介質發生化學反應，電化學腐蝕是金屬材料與電解質溶解接觸發生破壞。板式換熱器腐蝕主要是指板片腐蝕，應力腐蝕破裂常發生在板片密封槽底部，大多由介質氯化物引起，發生應力腐破裂原因包括板片間支承點處易結垢，板片組裝后形成多縫隙結構等。

3 板式換熱器板片的損壞原因和處理措施

某熱力供熱公司從熱能科技公司訂購板式換熱機組4 套，單獨板式換熱器2 臺，板式換熱機組停運后清洗板片發現有孔洞，通過板片基體進行化學分析，對裂紋部位進行顯微組織與能譜微區成分分析，得到板片產生裂紋原因，在介質環境中具有的Na 離子與應力作用下腐蝕增加。供暖季運行情況為換熱器水系統循環流程為一次側交換熱水上進下出，一二次系統各自密閉循環。換熱器二次循環水進行水壓力0.6MPa,二次循環出水壓力為0.59MPa。換熱器一次循環水進出壓力為1.48MPa,一次循環出水壓力為1.47MPa。

補水泵抽取補入二次系統，熱源首站向水中按100:1 加入高溫阻垢分散劑。城東換熱器站問題1#、2#、3#、4#板片4 片，城南新區換熱站問題板5#、6#片2 片，未投入使用板片換熱器7#板片1 片。送檢6 片問題板片存在類似問題，右側溝槽弧形凸棱邊緣對應部位有寬窄不同的長條形缺陷，板片隨機分布不規則形狀孔洞，根據送檢板式換熱器板片缺陷分布特征針對問題板片解剖。一次循環水進水側人字形溝槽右側弧形凸棱邊緣條形缺陷較淺，不規則孔洞數量較多。一次循環水進水側人字形溝槽右側弧形凸棱邊緣對應部位長條形缺陷嚴重部位3 處，不規則形狀孔洞數量較多。換熱器板片材質為316L，檢測顯示板片材料成分符合《不銹鋼耐熱鋼化學成分》規定要求。對3#、6#板片做鋼中純凈度檢測，表明板片鋼中純凈度較高符合標準要求。

3#板片基體組織為變形奧氏體，晶粒度8.0 級，嚴重處a-相鐵素體面積含量達1.5 級。6#板片基體組織為變形奧氏體，奧氏體基體沿軋制變形方向分布a 相鐵素體。6#板片缺陷區掃描電鏡微區分析表明，中間大面積形成孔隙，孔壁沿晶腐蝕花樣呈平行條文狀，腐蝕孔周圍平面區域顯露腐蝕跡象，可見清晰紋理的腐蝕花樣?；w中發現有Na 等元素，最高處Na 含量達9.98%，換熱器板片局部區域產生嚴重孔隙腐蝕，腐蝕與所在部位應力狀態相關。3#板片缺陷區掃描電鏡微區分析表明，孔邊播參差不齊，棱邊有唱片狀腐蝕坑，腐蝕程度較輕未形成孔隙?；w中發現Na 等元素，Na 元素最高處達※3.01%，換熱器板片局部區域產生長條形坑狀腐蝕損壞與所在部位應力狀態相關。為防止板式換熱器失效事故發生，建議日常生產中嚴格檢測控制冷卻水中的Cl-濃度；板片腐蝕造成泄漏堵塞等失效事故，應考慮材料抗介質腐蝕能力，選用材料各成分含量要符合標準要求。板片密封槽設計要合理，減少密封失效引起泄漏事故，密封粘膠不采用含氯黏結劑。

4 結語

板式換熱器板片材質分析表明材料成分符合316L不銹鋼要求；板片鋼中純凈度較高，板片顯微組織為變形奧氏體，基體上分布沿軋制變形方向分布a-相鐵素體；固溶處理時加熱不足產生。鐵素體與奧氏體電位不同，易形成微電池加劇點腐蝕。一次循環水進水側人字形溝槽右側溝槽弧形凸棱邊緣有寬窄不同長條形缺陷，板片上隨機分布不規則形狀孔洞。換熱器板片局部產生嚴重孔隙型腐蝕，由應力腐蝕開裂產生。板式換熱器運行中水循環造成板片各部位產生作用應力，膠墊邊緣對應部位作用盈利較大，由于金屬表面與非金屬表面間連接處縫隙提供濃差電池腐蝕條件。充分了解板式換熱器結構設計，正確選用維修可以保證設備可靠運行。