换热器管板延长使用寿命技术的研究

刘 征，李 凯，王智勇

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300452)

管壳式换热器（图1）是现阶段石油化工装置中最常见的换热器形式，碳钢换热管作为换热器的主要部件，其使用寿命制约了换热器整体的使用期限。一般在正常使用情况下，换热器出现泄漏的部分主要是受压部件，会导致堵塞部分换热管，堵塞严重时甚至要更换整个碳钢管板或设备。管束一般是换热器中重量最大的部件，管束出现损坏后，会影响质量，且带有一定的安全风险，严重的还会造成经济损失。通过改进碳钢管束的加工工艺或对管束进行表面处理，以提高使用寿命，以及整体的可靠性和经济性。

图1 管壳式换热器

1 碳钢换热管主要泄漏原因

碳钢管板在使用过程中常见的泄漏通常有三种情况：焊接处泄漏、换热管管壁减薄、机械振动泄漏。

1.1 焊接处泄漏

换热管与管板的连接接头形式有焊接、胀接及胀焊结合的方法，除了管板设计和现场环境等因素，腐蚀是导致焊接处破损的最主要原因。这里的腐蚀包括冲击腐蚀、应力腐蚀和间隙腐蚀，加工制造过程中的质量隐患和使用过程中的腐蚀，这些因素造成的缺陷会直接导致管束使用寿命缩短（图2）。

图2 管板与换热管典型焊接

1.2 换热管管壁减薄

管束作为主要换热元件，为有利于换热而尽可能减小管壁厚，在设计时通常不考虑腐蚀余量。但对于碳钢换热管势必存在腐蚀或冲刷，造成管束的使用寿命较其他部件短。

1.3 机械振动

管板式换热器中的介质，在管束中高速流动时，管束会因介质流动产生振动。当管束产生振动后，管束与支撑板件可能发生冲击、磨压；换热管间也可能发生碰撞，导致管子发生疲劳破坏、磨损或断裂。

2 改进措施

2.1 优化加工工艺

提高焊接工艺，减少潜在的质量缺陷。使用激光焊接替代传统焊接。激光焊有很多优点，不仅可以保证焊接精度，金属的金相变化也比较小，焊接位置准确，适合换热管与管板的焊接，可有效提高焊接质量。

改善加工工艺，提高接头质量。液压胀管技术代替机械胀管，其优点是胀接均匀，操作简易，工作效率高，可有效提升胀接接头质量。

2.2 提高抗腐蚀性能

换热器的损坏绝大多数是腐蚀造成的。介质为冷却水、蒸汽、导热油等的换热器，如果用奥氏体不锈钢代替普通碳素钢，会提高抗腐蚀性能，但同时会极大增加成本。对于这种常见介质的换热器，可以通过钝化或外涂塑提高碳钢管束的耐磨性和耐腐蚀性。

表面处理的方法可提高对于水、水蒸气和部分弱酸等介质的碳钢管束的抗腐蚀性，因此此种方法不仅可以提高使用寿命，也可以带来较好经济效益。

2.3 高分子材料

应用高分子材料做防腐处理的方法有较好的效果，高分子材料有着很好的抗化学腐蚀和抗温度变化的能力，黏结力出色，且材料为固态，没有挥发性，非常适合密闭空间使用，安全可靠。高分子材料可提供管束长久的保护图层，其具有金属腐蚀隔离能力和高耐冲击能力，可以保证修复部位不再出现腐蚀。

高分子材料主要是由高分子聚合物、陶瓷超细粉末或金属粉末、纤维材料等为基料，在固化剂、固化促进剂的作用下复合而成的材料。合成后的材料发挥其原有特性的同时，也能根据不同环境调整材料配比，使得各种材料的综合性能满足生产使用要求。因其黏结力强，抗腐蚀能力强等特点，在修复设备的裂缝、磨损、渗漏等损伤方面有出色的表现，广泛应用于化工管道及设备领域。

2.3.1 高分子材料的优势

（1）附着能力强，光滑金属表面附着力达到295kg/cm2。

（2）固态属性，没有挥发。

（3）优秀的金属隔离和抗化学腐蚀能力。

（4）绿色环保无污染。

2.3.2 高分子材料的使用工艺

（1）工具及设备：易于取得，可参考打砂涂装工具。

（2）施工工艺

①拆开换热器管箱：吹干换热器管板、传热管、折流板等位置的水分，用塞子封住管束的各个管口，对管板也做保护。

②表面打砂：在打砂时遮挡换热器的其他部件，避免损害设备。打砂的标准为露出金属底色即可。喷砂完毕后将软木塞取出。

③管束清洗：取出管口封塞，用丙酮液清洗掉杂质和油污。

④高分子材料涂装：首先将高分子材料填充到换热器管束和管板等处的内壁处，目的是填平坑洼处，保证管束内壁的平整度，提高介质的可通过性。其次把液态形式的高分子材料涂抹在需要保护和修复的表面，尤其是接缝处，其良好的塑性和流动性能保证材料涂在需要的位置上，达到填充堵漏的效果。

⑤凝固塑化：查看该高分子材料的固化时间，按照要求进行固化，完成后即可回装。

⑥控制振动：管束振动问题是难以预测和准确计算的，因产生振动的机理很多，影响因素也较多，所以目前主要以预防为主。对于壳程介质流速较高的换热器，应谨慎对待，条件允许时应采用不同的计算方法进行核算。除此之外还可以改变换热管的结构造型减小振动的产生，如折流栅、螺旋折流板或异型管等（图3）。

图3 螺旋折流板换热器

3 结语

随着现代工业水平的提高，会有更多新的技术不断出现。通过以上改进措施，换热器的可靠性和使用寿命有明显的改观，可解决普遍性泄漏问题，有较好的应用前景，减少反复修复带来的成本增加，以及安全、质量隐患，提高经济效益。