管壳式换热器故障分析及工程设计改进

刘姜利

(山西国控环球工程有限公司，山西 太原 030006)

换热器在化工、石油、动力、食品及其它许多工业生产中占有重要地位，在化工生产过程中是主要的换热设备，可作为加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器等，其中管売式换热器因其具有结构紧湊、操作弹性大、材料范围广等优点被广泛使用。

本文对管壳式换热器在工程实际应用中出现的故障进行分析，并对管壳式换热器的工程设计提出改进意见。

管売式换热器在工程实际应用中的故障主要表现在两个方面：一方面是换热器泄漏，主要由于制造缺陷、设计缺陷及操作不当导致，本论文仅对设计缺陷进行讨论：另一方面是换热效率降低，主要是由总传热系数降低导致。

1 管売式换热器在工程实际应用中的故障分析

1.1 设计缺陷导致换热器泄漏的原因分析

1.1.1 管束振动

在工程实际应用中，管束振动将引起管板与换热管之间存在的气孔和其他缺陷扩大，发展到一定程度时这些缺陷就会被击穿或导致疲劳开裂。振动与换热管固有频率有关，而固有频率与管束的结构、尺寸有关，因此换热器本身的设计缺陷是导致管束振动的根本原因。

1.1.2 温差应力

大多数换热器在运行过程中，管壳程流体之间都存在着一定的温差，多管程的换热器各程换热管之间也存在着较大的温差，温差导致管板两侧和换热管之间产生温差应力。当温差应力达到一定数值时，金属便会产生塑性变形和蠕变，最终导致换热器泄露。

1.2 换热效率低故障原因分析

根据传热方程式Q=K·A·△tm可知，换热器的传热量(Q)，与冷、热流体的温度差(△tm)、传热面积(A)和总传热系数(K)有关。温度差与工艺条件相关，一般不会出现较大变动；对于既定的换热器，换热面积为定值。因此，工业实际应用中，换热效率降低都是因为总传热系数降低引起的。

从传热系数公式1/K=1/αi+1/α0+b/λ+∑R中知道，影响总传热系数的因素有管内、外对流传热系数(αi、α0)、管壁热阻(b/λ) 和污垢热阻(∑R)，管壁热阻取决于换热管材料，一般不能随意更改；污垢热阻取决于流体介质，且随时间发生变化；对流传热系数与流体的物理性质和湍流程度等因素有关，管内、外对流传热系数降低直接导致总传热系数降低，最终导致换热效率降低。

1.2.1 管内、外对流传热系数降低导致换热效率低[1]

管内对流传热系数(αi)与布管数、管程数、管径、管内是否有内插扰流物以及是否采用特型管等因素有关；管外对流传热系数(α0)与売体型式、换热管类型及布局、折流板间距及折流板切率等因素有关。上述因素直接影响管、内外流体的湍流程度，湍流程度越小，对流传热系数越小，换热效率越低。

1.2.2 结垢导致换热效率降低

在实际生产中污垢热阻(∑R)随着使用时间变化。管束上的污垢会增加污垢热阻，降低换热器的换热效率。例如1 mm水垢层相当于40 mm钢板的热阻，1 mm烟渣层相当于400 mm钢板的热阻，管壁上附有污垢层时，厚度虽不大但其导热系数很小，会产生很大的热阻，对传热十分不利[2]。

换热器管束上污垢的形成原因主要是换热介质中的悬浮颗粒流经换热器表面时沉淀形成污垢，一般是由颗粒细小的泥沙、尘土、不溶性盐类、胶状物、油污等组成。

2 管売式换热器故障的工程设计改进

2.1 减少泄漏的设计改进

2.1.1 预防振动的措施[3]

(1)减小跨距是减小振动最有效的措施；(2)采用大管径，有效增加管子刚性；(3)增大管间距，减少管子碰撞可能性；(4)尽量减小进出口流速，并增加支撑；(5)选择管子的材料和厚度，以使管子具有较好的刚性；(6)适当增加折流板的厚度，减小管孔与管壁的间隙，可以抑制振动。

2.1.2 减缓温差应力的设计改进[4]

2.1.2.1 提高管板的抗应力能力

在仅考虑压力载荷作用下的管板应力超限时，采用增加管板厚度的方法提高管板的抗弯截面模量，降低管板应力。在需同时考虑管束与壳体间的温差应力、管板本身轴向应力与径向温差应力以及管板机械强度要求时，可采用弹性管板。其形状呈圆弧形，不仅有利于承压而且可利用其弹性变形部分吸收热膨胀差值。由于其厚度较同工作条件下的圆形管板小很多，有利于减小管板中心和边缘间的径向温差应力。

2.1.2.2 降低壳体的轴向刚度

在管壳热膨胀差很大的情况下，产生的应力极高，可在壳体上设置膨胀节，以满足较大的总变形协调量。膨胀节可大大降低管板周边的横剪力和弯矩，极大地减小管板应力，降低管板与管子间的拉脱力。因此在管壳热膨胀差大的情况下，设置膨胀节是十分必要和经济的。膨胀节的安装位置应靠近管板，且应避开折流板以防壳程流体短路，其波形不宜超过6个。

2.2 提高换热效率的设计改进[2]

2.2.1 增加流速，改变流体的流动状态

(1)在进行工程设计时，增加管程、壳程分程数可加大流速、增加流程长度和扰度。

(2)选择管程数时，在保证允许压降及避免管材蚀的情况下，增加流速。

(3)壳程设置挡板可提高流速，使流体充分流经全部管面。

(4)改变流体对管子的冲刷角度，以增强管外的对流传热系数。在工程设计中还需注意，增大流速可改变流体流动状态，提高湍流程度，对增强传热能收显著的效果．但增加流速会使流动阻力增加，应权衡两种因素，选择最佳的流速。

2.2.2 改变换热面形状和大小

管壳式换热器的换热管可采用各种异形管、加肋片的管和低翅片管，但要根据换热介质特性及工艺要求慎重选取，避免因结垢导致换热效率降低。

2.2.3 换热器的定期清洗可减小污垢热阻

金属壁热阻很小，可以忽略，但实际生产中，换热器运行一段时间后，管壁会附着污垢，对传热十分不利。换热器清洗可采用机械清洗、化学清洗、酸洗和碱洗等方式。

3 总结

综上所述，管壳式热交换器在工程实际应用中出现的故障主要是泄露和传热效率低，在进行换热器工程设计时可以改变部分设计参数，改进设计，减少换热器故障。采用避免管束振动和减缓温差应力的设计方案可以有效减少换热器泄露；通过改变流体的流动情况，增加流速和改变换热面形状大小可以有效提高管内、外对流传热系数，提高传热效率。此外，换热器定期消除污垢、可以减少堵塞、最终提高换热器传热效率。