管壳式海水换热器的故障分析及日常维护

林雄伟，张 楠，顾鑫斌

（1. 海军青岛地区装备修理监修室，山东青岛 266034；2. 上海船舶设备研究所，上海 200031）

0 引言

管壳式海水换热器将运行设备发出的热量通过介质进行热量交换，使设备的工作温度保持在恒定范围内，因其冷却介质直接取自海水，且其结构简单、使用成本低、冷却效果明显，被广泛应用于各类海洋船舶装备中。

1 管壳式海水换热器的结构

船舶液压系统管壳式海水换热器以海水为冷却介质，通过海水在芯组铜管内的循环流动，使被冷却介质由壳体进口沿弓形隔板形成回路作循环横跨流动进行热量交换，将发热液压油的温度降至正常工作范围。其安装形式分为立式安装和卧式安装，芯组密封分为轴向密封和径向密封。管壳式海水换热器主要由壳体、芯组（管板、冷却铜管、隔板、套管）、封头、防腐锌棒及其他附件组成，如图1所示。

图1 管式换热器结构示意

2 管壳式海水换热器的常见故障及排除方法

2.1 换热器泄漏

液压系统油箱内液压油出现乳化现象，或安装的油水分离报警装置出现报警，说明该液压系统内换热器出现泄漏，可能会导致设备停机。造成换热器内部泄漏的原因主要有以下几方面：1）密封圈老化失效，或安装时被挤伤，安装不到位[1]；2）铜管与管板涨接不到位，形成渗漏；3）铜管被海水腐蚀泄漏，铜管内部被刮伤形成点蚀造成穿孔泄漏，或内部堵塞致海水过速形成泄漏；4）铜管安装不合理，形成应力集中，造成铜管破裂。

针对上述故障情况，可通过更换密封圈、找出涨接泄漏点用扩管器将其重新扩口、用管塞堵塞泄漏铜管（堵塞数不超过总数的 5%），或更换换热器芯组进行维修处理，维修完毕后，必须通过压力测试以检测换热器复装后的密封性。

测试压力按照冷却器的正常工作压力进行，如图2所示。泵压过程可使用淡水在管侧进行打压，也可利用被冷却介质在壳体侧进行打压。待压力稳定后进行保压试验，保压时间不少于30 min，压力无下降。

图2 压力测试

2.2 液压系统油液温度持续上升

液压系统在长时间运行时，其油液工作温度持续上升，无法满足使用要求。形成该故障的主要原因有两方面：1）海水流量和压力不满足设计要求，导致换热量变小；2）冷却器内部水垢积聚较厚，热量交换效率降低[2]。

调整海水流量和压力至工作要求，或清洁、更换管路过滤器滤芯，可以有效改善换热器的换热性能。在换热器使用过程中，水垢的形成是不可避免的，因此清除水垢是提高换热效率的关键，根据水垢堆积程度和换热器材质，选择合理的处理方式才能有效保证清洁效果。某换热器清洁前后的实物对比如图3所示。清除水垢复装后，应进行压力测试，以确保换热器内部无泄漏。

图3 换热器清洁前后实物对比图

1）机械清洁

内部积聚杂物和水垢较多时，机械清洁的效果较为明显。通过选用与冷却铜管管径相应的软毛刷或装在棍子上的软毛刷进行清洗，如图5所示。可以从冷却海水的逆流方向进行刷洗，以防止刷洗过程中坚硬杂质刮伤换热器内部表面，从而加速刮伤点的腐蚀。机械清洁可以在不挪动冷却器的情况下进行，但需卸下两侧封头。刷洗过程中应逐根彻底刷洗干净，不应存在遗留或死角，清洁完毕后，使用新密封垫重新安装封头。

图4 清管刷清管示意图

2）冲洗清洁

内部积聚杂物和水垢较少时，可将冷却器卸下来进行冲洗清洁。可用高压喷枪来清除管道内的沉积污物和表面水垢，清洁时应逆流清洗，防止积聚杂物通过铜管内部划伤内表面。

3）化学清洁

化学清洁可以除去冷却水管道中的水锈沉积物。需要用10%的盐酸加0.5%的抗氧化剂清除铜管材质的水锈沉积物，水锈沉积物较多时，也可使用含缓蚀剂的50∶50盐酸水溶液进行清洗。安装循环泵和工装进行循环冲洗，冲洗速度控制在0.25 m/s～1 m/s，冲洗中和时间不少于30 min。使用化学品清洁时，一定要按照洗涤剂生产厂家提供的说明及使用指南进行，使用不当会引起铜表面的点蚀和应力开裂。因海水换热器抗海水腐蚀，其内部材质均采用铜锌合金（黄铜）或铜镍合金（白铜），对于铜合金的化学清洗采用盐酸或硝酸添加缓腐蚀剂，应避免使用硫酸清洗，硫酸根离子可使铜合金引起应力开裂[3]。清洁完毕后，使用洁净淡水彻底冲洗换热器，做到冷却器内没有一点清洁残留物。在冲洗换热器过程中加入 1%的缓蚀剂CM-911和 0.5%的还原剂，可防止清洗剂持续腐蚀设备而造成设备损伤[4]。

随着环保意识的加强，应尽可能采用无毒无害、无刺激、易于处理、生物降解性好的低酸度、低碱度清洗剂，如水溶性羧酸、琥珀酸等环保型酸性清洗剂，乙二胺四乙酸盐、柠檬酸盐、次氮基三乙酸等螯合剂[5]。采用绿色化学清洗，既可减少环境污染，又可降低化学清洗剂处理成本。

3 换热器的日常检查和维护

换热器的日常维护直接影响其使用寿命和使用效果。为确保换热器在工作中能够正常使用，并减少故障的发生，应定期进行设备检查和维护。

1）防腐锌棒腐蚀释放阳极起保护作用，其腐蚀速率是根据冷却介质所在海域含盐量不同和使用频率决定的。一般情况下，防腐锌棒腐蚀量达到1/2～2/3时，必须进行更换。因此在换热器初始工作两周后，应拆检防腐锌棒观察其锌金属实际腐蚀程度，并根据腐蚀程度确定更换周期。为防止锌棒腐蚀完毕后加速腐蚀铜管内表面，造成换热器内部泄漏而破坏工作介质的清洁度，建议每月对锌棒进行例行检查。

2）换热器工作环境温度过低，在停用换热器后应及时通过排污口排除壳体和管路内的冷却海水，以防止海水出现冰冻现象，引起海水体积膨胀破坏设备密封。在长时间停用时，也应将内部冷却海水排净，以减缓防腐锌棒及内部表面的腐蚀。

3）换热器使用早期应依据冷却海水的进口温度明确其冷却效果，当发现冷却效果明显下降，不能满足使用要求时，应及时检查海水泵输出流量，并检查过滤器是否已堵塞。若上述检查项均为正常，则换热器运行三年后，也应进行换热器内部水垢和杂物的清洗。

4）换热器长时间运行时，其接海水一侧会堆积各种杂物或被海水腐蚀形成水垢，应对其进行清理，清洁间隔需根据换热器冷却效果及所用的冷却水质而定。清洁内部水垢和杂物不只为了保持换热器的热交换性能，也因为结垢会增加腐蚀的危险。管道积有障碍物将导致管路流速加大，产生过速侵蚀。清洗换热器可有效提升换热效果并延长设备使用寿命，清洗方包括机械清洁（污垢较严重）、高压水清洁（污垢较轻）、化学清洁等。

4 结束语

设备的各类故障均存在其产生原因，只有正确分析其根源，制定预防和解决措施，才能有效避免故障的发生。及时地对换热器进行日常检查和维护，可以有效提高设备使用效果和寿命，显著降低设备的故障率。

[1] 熊从贵, 林通, 王昕光, 等. 船用冷凝器换热管的失效分析[J]. 机电工程, 2014, 31(6): 753-756.

[2] 安维峥, 王维民, 石永强, 等. 海洋平台用海水换热器腐蚀防护现状与趋势[J]. 广州化工, 2010,38(1): 23-26.

[3] 余存烨. 工业设备化学清洗的回顾与思考[J]. 清洗世界, 2012(7): 1-9.

[4] 宋军强 刘志新. 热交换器硫污垢的化学清洗[J].清洗世界, 2007(2): 34-36.

[5] 焦庆祝, 扬婷, 刘明婧, 等. 论绿色化学清洗[J].清洗世界, 2007(9): 22-26.