分析管壳式换热器失效形式及处理对策

邓兴成　张生旺　宋存元

摘 要：作为化工领域的重用换热设备之一，管壳式换热器发挥着重大的作用，并得到了广泛的运用。但是由于商品时代物质速成这一特征的影响，使得换热器会由于选材的不同，加工制造不合理，使用不当等多方面的因素的影响，换热器实效的现象屡见不鲜。换热器的失效，可能会给企业带来不可估量的经济损失，因此对管壳式换热器失效原因、形式、及处理故障的分析很重要。由于换热器内部运行的复杂性，使各种失效形式交错连接并存在着一定的联系和影响，造成各种实施措施不能够和谐统一的进行。

关键词：故障分析 失效形式 换热器 敏感部位

中图分类号：TQ05 文献标识码：A 文章编号：1007-3973（2013）005-027-02

随着现代化建设的步法不断的加快，作为石油企业化工领域的重用换热设备之一，管壳式换热器在发挥着重大的作用，并得到了广泛的运用。但是由于商品时代物质速成这一特征的影响，使得换热器会由于选材的不同，加工制造不合理，使用不当等多方面的因素的影响，换热器实效的现象屡见不鲜。换热器的失效，可能会给企业带来不可估量的经济损失，因此对管壳式换热器失效原因、形式、及处理故障的分析很重要。本文将通过对管壳式换热器在工程中的实际运用存在的问题进行分析，找出管壳式换热器最容易失效的敏感部位，并通过对换热器失效的形式、特征分析，阐述管壳式换热器失效形式对应的处理方式。

1 常见的换热器失效形式

敏感部位之一：换热器管板和换热管的连接处。

在换热器管板和换热管的连接处会出现几何形状的突变，加上外因等因素比如：管板与换热管的连接不当、焊后处理不及时合理、两者之间存在的温差应力、板管和换热管所选择材料之间存在的差异性等，都会成为管板和管口连接处存在残余应力、焊接部位出现隐形缺陷（焊接部位出现气孔、及其他杂质）的原因。一旦受到壳程流体腐蚀性影响和诱导振动，都会使换热管和管板的连接处出现振动疲劳破坏、连接缝隙腐蚀、应力腐蚀开裂等现象。这些问题交错连接，共同作用会对连接处进一步的损坏，加快了连接处的损害速度，降低了连接处的使用寿命。

敏感部位之二：折流板和换热管配合使用处的损坏。

由于使用功能的需要，为了使换热管的热膨胀量能够被充分的吸收和使用，以及加工制造的方便，通常会在换热管和折流板的配合使用处留下一定程度的空隙。由于壳流体长时间额冲击，配合处的缝隙会不断的增大，使折流板不断的切割换热管，在折流板的切割作用下设备不但会产生强大的振动噪音，还会引起换热管的泄漏实效。同时配合处缝隙不断的增大促使壳程流体内部的流动过程变进一步的复杂化，对换热器的传热效率造成了重大的影响。

敏感部位之三：换热器壳体、管板连接处损坏。

在换热器的使用过程中，其壳体和管板都会受到较大的压力荷载和温差应力的长期作用。这将直接导致换热器壳体、管板连接处局部应力的形成。分析局部应力出现的原因有二：（1）换热器壳体载荷的温度较高，且径向变形大。而管板恰恰相反，不仅载荷温度低，变形小，同时由于管板的厚度较大对变形刚度的抵抗力较强，因此对与之相连接的换热器壳体约束力较大。（2）由于换热器壳体受到限制，使高温载荷下的径向膨胀也受到了一定的限制。加上其他因素的影响，发生断裂损害的可能性很大。总体来说，对于上述结构局部应力形成的主要因素是：换热器壳体和管板之间的温度分布不均匀，管板较大刚度这一特征的存在。所以在日常的操作中，可根据实际的需要，在达到结构刚度要求的基础上，可对管板的厚度进行适当的降低。

敏感部位之四：U形弯管。

对不锈钢管束的使用中，U形管自身的形态特征决定了它的塑性变形，在对其进行运用时会产生残余拉应力。这是由于两个直管段热变形不均匀产生了温差应力，应力之间相互叠加，促使弯管处拉应力的形成。在腐蚀性介质的参与下，加上换热器工作过程中产生的扭曲振动和弯曲振动，很容易造成弯管处的疲劳腐蚀破坏，并且影响力很大。

敏感部位之五：小浮头垫片出现泄漏。

温差应力的存在是造成小浮头垫片内漏的主要原因。在小浮头垫片的使用过程中，由于温差应力的存在使螺栓预紧力降低，同时小浮头垫片自身不能进行自紧密闭，造成换热器的使用实效。总而言之，造成小浮头垫片发生泄漏的主要原因就是，预紧过程中和温差应力的作用下残余应力的存在。

2 失效形式对应的处理措施

针对敏感部位一的处理措施：（1）在连接换热管和板管时，可采用先焊后胀的方式来进行。运用机械液压胀接处理连接处，同时要注意焊后的热处理。通过对伸出管板的加长，能够有效的降低操作困难。（2）由于不同材料在接触时会产生电势差，为避免这种情况的出现，在对材质进行选择时，应当尽量满足换热管和板管材质的一致性。这一措施使壳程、管程存在的双侧腐蚀问题得到了有效的控制。还应注意到的一个问题是：管板的材质硬度要大于换热管的，硬度差的存在可以使换热管与板管实现最佳状态的胀接。此外，对焊条的选择也要根据实际需要认真筛选。

针对敏感部位二的处理措施：（1）在对换热管的加工过程中，一定要使折流板和换热管之间存在的缝隙最大限度的减小。（2）对折流板材料的选择时，相对来说材质较软的材料优先，从而保护换热管免受切割。（3）对换热管的厚度进行合理的增加，增强换热管的抗切割能力。（4）尝试着在已有的缝隙里加入一些弹性较好的材料，增加热膨胀吸收量的同时，有效的阻止了折流板对换热管的切割。

针对敏感部位三的处理措施：以达到规定强度的要求为前提，合理的对管板的厚度进行降低。

针对敏感部位四的处理措施：（1）为了可以充分的吸收利用热变形，可以适当的加大U形管的挠度。（2）对残余应力的消除，需要对弯管做特殊的技术处理。（3）使流体进入壳体的面积进一步的增大，同时合理的降低流速，达到减小激振频率和激振力的目的。（4）管壁厚度的加大，可以使换热管的耐磨性得到有效的提高。

针对敏感部位五的处理措施：（1）设备在运行过程中，要最大限制的控制其操作温度和运行的压力波动，这一操作步骤可以降低浮头垫片的疲劳失效率。（2）对影响温度的系数及原因进行认真的考虑后再实验压力进行确定和检修。以避免高温下垫片蠕变和应力松弛，造成密封比压的降低，从而产生泄露现象。（3）在对螺栓进行选用时，尽量挑选强度低的螺栓。预紧力并不是一味的增大，否则将会引起配合部件的严重变形。相关的部件一旦变形，将会影响预紧力的形成，或迫使预紧力下降。（4）要根据实际的需要，选择合适的垫片。一般来说，垫片的系数越低越好。

3 针对管壳式换热器失效形式的详细分析

对换热器的一般失效形式进行分析后发现：失效的产生与选材、振动、腐蚀有着很大的关系。每一种失效形式的出现几乎都离不开选材、振动和腐蚀。下文将分别对振动、腐蚀。选材进行详细的分析。

3.1 振动

引起换热器管束振动的主要原因是，壳程流体产生了诱导振动。一般来说，声共鸣、紊流抖振、旋涡分离和弹性激振是管束振动产生的四种形式。这四种形式中最重要的一种是弹性激振。紊流抖振和旋涡分离在一定程度上促进了弹性激振的产生。因此对换热器振动的研究的本质是对弹性激振的研究。在换热器内部流动的流体，存在着“临界流速”通常的作法是通过经验半经验法来确定的，随着科学技术的不断进步，相关学者研究出了参数多项式的运算方法，作为一种方便快捷的数值计算方法，参数多项式可参与对各种振幅下流体力做功的计算，根据阻尼稳定性，求出平衡振幅得到动应力数据。参数多项式方法更适合工程的实际需要。预防管束振动的具体步骤如下：

（1）对开停工的管理顺序要合理的制定，提高在线监测质量，对各种运行条件要严格的控制。为了防止管束受到流体的直接冲撞，可以通过在流体入口处对分流器、防冲板等的设置，使流体的流速降低，从而使流体的脉动降低。

（2）避免管束振动的最直接有效的方法是，通过降低壳程内流体的流速，使诱导振动的频率降低。但是这种方法会对传热效率有一定的影响。

（3）折流板间距的减小，折流板和管壁厚度的增加，以及换热管和折流板之间的间隙尽量的减小是优化结构设计的重要措施。这对管束固有频率的增加起着重要的作用。

3.2 腐蚀

应力腐蚀开裂、腐蚀孔、均匀腐蚀是换热器腐蚀的三种形式。这三种腐蚀形式的进行都与环境腐蚀、腐蚀介质、敏感材料有着密切的关系。均匀腐蚀虽然会对结构造成一定的破坏，但是可以的其破坏程度进行有效的控制，例如只需控制好换热器的运行趋势，便可减轻其对结构造成的危害。腐蚀孔的危害不存在预见性，作为腐蚀失效的最主要原因，在一定条件的作用下会形成自催化功能。当腐蚀拉力和腐蚀介质共同作用时，会促使应力腐蚀开裂的形成。很多事故也都是有应力腐蚀开裂造成的，虽然其危害性很大，但还是可以通过采取一定的措施来控制，比如对流体PH值、流速的控制等。

3.3 选材

对换热器的加工和维修过程中，一定要根据实际需要进行选材。对于机械性能方面的特征，不应当只重视材料的韧性、强度等。应当全方面综合考虑实际应用中环境因素对材料的影响，特别要注意的是不同材料的搭配使用要合理，最大限度的降低由于材质间存在的差别而造成的对整体结构的影响。

4 结语

本文通过对常见的换热器失效形式、失效形式对应的处理措施、针对管壳式换热器失效形式的详细分析的探讨，提出了在连接换热管和板管时，可采用先焊后胀的方式来进行；最大限度的减小折流板和换热管之间存在的缝隙；合理的对管板的厚度进行降低；适当的加大U形管的挠度；控制运行压力波动等方法。这些预防措施和治理方法对避免换热器实效起着很重要的作用，但是由于换热器内部运行的复杂性，使各种失效形式交错连接并存在着一定的联系和影响，造成各种实施措施不能够和谐统一的进行。根据这一现状，我们应全方位的考虑，从换热器的选材到对其的加工制造、安装、使用、老化、维修都要及时的采取有效的措施，保证换热器的“安全、稳定、高效”运行。

参考文献：

[1] 徐洪涛，王庆明.基于Solidworks和Fluent的管壳式换热器腐蚀分析与优化[J]. CAD/CAM与制造业信息化，2010（12）.

[2] 李彦晴，陈亚平，陈伟，等.管壳式换热器设计软件开发[J].计算机工程与设计，2011（05）

[3] 段亚平.管壳式换热器的换热管强化传热技术浅述[J].应用能源技术，2010（04）.

[4] 罗朝阳.管壳式换热器强化传热技术的研究与进展[J].化学工程与装备，2010（10）.

[5] 邵俊甫，张强.换热管与管板连接失效的原因及处理[J].石油和化工设备，2011（04）.

[6] 车达，白建涛.管壳式换热器失效问题的探讨[J].科技传播，2010（20）.

[7] 赵石军，黄英，张越.国产首台超大型管壳式换热器设计[J].一重技术，2010（05）.

[8] 展永亮，丛海.关于化工设备故障发生规律及预防策略研究[J].黑龙江科技信息，2011（19）.