在役换热设备运行故障分析与在线检测方法的浅析

张婧

（1.甘肃省特种设备检验检测研究院，甘肃 兰州 730050：2.国家节能换热设备质量监督检验中心（甘肃），甘肃 兰州 730050）

0 引言

换热设备又称热交换器，其原理是将热能传导最终达到工艺流程所规定的温度指标，确保生产体系热能供应安全平稳。近年来，在加快我国工业化和产业化进程的同时，对节能降耗、提高能源利用率的需求日益增强[1]。换热设备作为节能设备之一，国内外对换热设备的需求量一直持续增长，伴随着换热设备在石化、化工、热电等工业装置上的广泛使用，换热设备因缺乏在线检测、监管，导致换热设备本体的腐蚀、结垢、泄漏等问题日趋突出，使用过程中换热设备能源利用率低、能耗大，使换热设备作为节能设备的功能性大打折扣。因此对换热器的检测也成为了换热设备行业发展的最重要的环节之一。目前，国内对换热器的检测仅仅局限于具备换热性能检测能力的实验室内的规定工况下的热工性能及其流体阻力特性检测。由于换热设备检测平台体积大、建设成本高，因此国内具备换热设备检测资质和能力的实验室较少，企业送检换热设备成本较高。另外，换热设备的检测需要较长时间的运输和检测周期，无法满足对在线运行的换热设备的检测。以往对在线运行的换热设备的检测并不完善，如换热效率是通过介质的温差来人工判断，腐蚀状况主要是通过换热设备出现严重泄漏后对其介质产生了明显的影响才发现，而这将导致大面积介质污染。另外，换热设备所存在的问题经常造成生产系统非计划检修，生产系统开、停工运行成本将大幅增加，能源浪费严重，因此，换热设备的在线检测与故障分析手段已经成为迫切的需要。

1 换热设备在线运行存在的故障

换热设备是化工生产中重要工艺和节能设备之一，如在石油炼制和石油化工装置中，换热设备约占总工艺设备的40%，由于对其的缺乏在线检测，使换热设备检修工作时间长，约占检修总工作时间的60%-70%[2]，在长期运行的过程中常常发生以下故障，无论出现下述何种故障，都会降低换热器的换热效率，影响系统的正常运行，当换热设备发生泄漏等较大故障时，将导致生产物料被污染，生产产品不合格等重大影响。换热设备在运行过程中经常会出现的故障可以总结为泄漏、流体输送动力增加（压降增大）、换热能力下降、噪声增大等，究其原因主要为腐蚀、磨损、振动、结垢[3]。

1.1 腐蚀和磨损

换热设备的腐蚀和磨损可总结为以下几种类型：

（1）应力腐蚀。换热设备在线运行过程中承受温差应力和压力载荷双重应力状态，使换热设备内部构建如管壳式换热器的管束的胀接接头、管板与壳体连接处存在拉应力集中，加之不锈钢等材料的使用带来的材料的敏感性，与运行介质中腐蚀介质的参与，构成了应力腐蚀的三严重，最终导致换热设备在这些敏感部位的应力腐蚀开裂。

（2）电化学腐蚀。换热设备的电化学腐蚀易发生在缝隙处、死角处以及结垢位置，这些位置使流体流速降低，位置内、外介质的存在浓度差，形成浓差电池，为电化学腐蚀创造了有利条件，常见的电化学腐蚀类型有缝隙腐蚀、垢下腐蚀等，最终导致换热设备在这些薄弱位置上腐蚀导致局部开裂。

（3）氧腐蚀。换热设备介质若充实大量的氧，当介质流速较高、存在温度梯度较大时，易发生氧腐蚀，生成的氧化膜质地较疏松时，在振动强烈、往复循环、或者金属材料膨胀系数差别较大的换热体系中，疏松的氧化膜易脱落，常此循环往复，金属不断减薄，导致发生氧腐蚀穿孔泄漏。

（4）疲劳腐蚀。换热设备循环往复运行是疲劳发生的主要原因之一，加之腐蚀介质的共同作用，构成腐蚀疲劳，疲劳和腐蚀相互促进，缩短了换热设备的使用寿命。

（5）冲刷腐蚀。换热设备腐蚀和磨损往往是交互作用的，换热介质中的腐蚀产物、污垢、或是含有固体小颗粒的气体等在较高写循环流速下，将会导致换热设备的冲刷腐蚀，在换热设备上留下冲蚀沟槽，减薄设备本体，最终导致设备的泄漏。

1.2 振动

振动过大会引起换热设备泄漏、噪声和阻力增大等严重问题。在保证换热特性的前提下，适当地降低流速是防止换热设备振动的有效方法之一。在设计方面，增加换热设备的自振频率等都可以减小换热设备的振动。

1.3 结垢

运行过程中换热设备介质的硬度高、介质中含有杂质成分等都会导致换热设备的结垢，结垢会导致的换热能力、导热性能下降，以及换热体系压降的增大。换热设备结垢主要有沉降结垢、析晶结垢、生物型结垢等，预防结垢应从设备结构及运行工艺方面考虑，适当的控制温度计流速，介质循环过程中加入防腐剂、消毒剂等都能起到预防结垢的作用。

2 换热设备检测技术发展状况

对于换热设备的检测国内是以GB/T27698-2011《热交换器及传热元件性能测试方法》、JB/T10379-2002《换热器热工性能和流体阻力特性通用测定方法》标准中热工性能和流体阻力测试基本原理为基础，所设计的检测系统。依照标准要求测量计算换热设备的产品外形尺寸、板片数量、板片厚度、板片波纹深度、夹紧尺寸、板间距、当量直径、总换热面积等。通过传感器采集换热设备在标准要求工况下运行的冷、热介质的进、出口温度，压力及流量等参数。2019年1月由国家市场监督管理总局颁布TSG R0010-2019《热交换器能效测试与评价规则》对液-液工况下的可拆式板式热交换器、半焊式板式热交换器、钎焊板式热交换器产品的能效测试与评价适用。现有的检测标准往往针对具备换热设备检测资质和能力的实验室对新工艺、新制造换热设备的性能检测和能效评价。而企业实际运行时对在役换热设备检测，通常将冷、热侧介质进、出口温度、压力、流量等数据，发送到具备检测资质的实验室进行数据的计算，最终分析换热设备可能存在的问题，这种方法缺乏检测的依据、对在线测试数据的准确程度也有待考量；并且所检测换热设备通常已经出现较大故障，或已出现安全隐患，经实验室分析后对于换热设备的处理方法，也多为停车检修和更换为主，造成了时间和经济的浪费。

国外换热设备检测标准有NF E38-321-199《热交换器 热交换器性能的定义和确定各种热交换器性能的试验程序》、BS EN305:1997《换热器的性能定义和评价所有换热器性能的一般测试程序》等，明确可进行三类换热器的检测：①新换热器的型式试验；②新换热器的验收试验；③使用中的换热器的性能试验。对于使用中的换热器的性能检验规定可在现场进行。它可进行简单的监测活动用于确定装置的一般特性。对使用中的换热器的试验原则上与新（清洁）装置相同，检验目的为确定换热器的结垢与腐蚀程度。通过定期测定在役换热器的换热效率，指导换热设备的清洗及更换周期。英标BS EN305:1997中对现场检测方法并没有做明确的说明，仅仅提到现场检测时很难测得额定工况下的温度与流量，需要记录不同工况下的相关参数并绘制曲线用以确定换热器性能，而在欧洲标准中的各个分支应用中给出了测量换热器性能采用的程序。

3 在役换热设备在线检测与故障分析方法

换热设备在线检测方法，即实时监控换热设备在工况下的运行情况，根据温度、压力、流量传感器采集的数据计算出换热设备的吸、放热量、传热效率、换热设备能效，换热设备的流量、压力、温度损失变化值；拟合出实时测试曲线，从而实现对换热设备传热性能及流体阻力特性的在线分析，主旨建立换热设备正常工况工作下的数据模型，及时对换热设备可能出现的故障进行排查，通过分析流体压力计进出口压降变化，结合换热设备换热效率，换热设备的热阻值变化，确定换热设备清洗周期。在换热设备冷、热侧管道进、出口安装接触式的流量计采集冷、热侧介质流量变化，通过流量损失的变化趋势，判断换热设备是否发生泄漏，确定换热设备检测泄漏周期。

在役换热设备在线检测方法是在换热设备的冷、热侧的进、出口分别安装插入式温度传感器、压力变送器数据采集装置，实时接收、计算、处理集成传感器上传的检测数据；通过曲线实时反映各管道数据变化；实时计算出换热设备吸、放热量、换热效率[4]；通过分析流体压力计进出口压降变化，结合换热设备效率，换热设备的热阻值变化，确定换热设备清洗周期。在换热设备冷、热侧管道进、出口安装接触式的流量计采集冷、热侧介质流量变化，通过流量损失的变化趋势，判断换热设备是否发生泄漏。通过在线对压力、温度、流量以及进口物料条件的变化的检测，预防压降、温度反复变化由热应力循环引起的热疲劳，以及换热设备产生的强烈振动，降低换热介质的腐蚀性、磨损性等[5]。

4 结语

本文针对在役换热设备运行过程中缺乏检测监管，出现问题便面临停车检修、更换的现状，依托换热设备实验室检测平台对以往送检的新研发、新制造换热设备性能和能效测试的经验，研究换热设备在线检测工艺，最大程度提升换热设备的使用寿命，降低能耗输出，落实节能降耗目标，填补在役换热设备在线检测的技术空白。旨在拓宽换热设备性能测试方法，重视在役换热设备“健康状况”，提高节能效率，填补在役换热设备在线检测的技术空白；推进建立在役换热设备故障诊断方法，评估在役换热设备状态，指导换热设备定期清洗、检修，提升运行安全性和经济性；逐步建立在役换热设备在线运行的能效评价方法，最大程度地提高换热设备的换热效率和使用寿命。