管壳式换热器失效分析及解决方法探究

龚 博，尉海晶，刘 瑞，仙笑笑

（潞安化工机械（集团）有限公司，山西太原 030032）

0 引言

管壳式换热器应用的过程中如果出现失效问题，将会导致设备和系统的运行稳定性降低，不能确保与使用需求相符。因此在新时期的环境下，应重点分析和研究管壳式换热器的失效情况，采用合理的检测方式查明失效情况，分析失效机理，按照具体的失效特征使用预防和防治措施，从根本层面降低失效问题发生率。

1 管壳式换热器失效分析

管壳式换热器是应用非常广泛的典型热交换设备，因外形结构稳固、选材多样性等优点，具有很强的适应性，目前广泛应用于各个行业和领域，例如水泥生产领域中所使用的稀油站油冷却器设备、车辆发动机中所使用的油冷却器设备等，都属于管壳式换热器。管壳式换热器的坚固性较高、可靠性很强、适应性非常广，随着技术的创新改革与升级，制造技术水平与传热性能都有所提升。但是由于管壳式换热器结构本身非常复杂、应用的环境具有多元性特点，很容易受到一些因素的影响出现失效的现象，如果不能严格预防甚至会导致整体设备报废。而出现失效问题的原因主要有以下3 个。

1.1 结垢

设备经过长时间应用后如若管壁区域存在结垢的现象，传热性能就会降低，换热介质出口位置的温度不能与设计工艺数据标准相符，污垢会使管道的内径减小、流速增加，出现严重的压力损失现象，最终引发设备失效问题。此情况下可以利用流量检查方式、压力检测方式与温度检测方式等明确是否存在管壁结垢的现象，针对性去除结垢，降低失效问题发生[1]。

1.2 腐蚀磨损

换热介质与污垢等综合作用下，会导壳体部分、管道内部和外部表面出现腐蚀性磨损的现象，如果不能严格控制将会引发设备失效的问题。建议使用测厚仪设备检测壳体结构，从外部区域测定和评估腐蚀问题与减薄问题的位置，结合位置的情况针对性地做出处置，以避免发生失效问题[2]。

1.3 泄漏

管壳式换热器在应用的过程中，管道内部可能会受到腐蚀因素或诱导振动因素的影响出现破裂，管端可能会在腐蚀作用、疲劳破坏作用下导致管路和管管相互连接的位置出现泄漏，导致整体设备的正常应用受到不利影响，甚至还会出现失效的严重后果。此情况下可利用流体取样的方式对管束的泄漏现象与破坏现象进行全方位检查，通过检验检查的技术手段及时发现泄漏可能引发的失效问题，做好相应的处理工作，确保整体设备的良好运行与应用。

2 管壳式换热器失效解决方法

管壳式换热器的零部件数量很多，主要涉及管束、筒体、管板、折流板、法兰、接管等部分，在各类工作状况和介质的影响之下都可能会出现不同程度的失效问题，而经常出现失效现象的位置主要是构件相互连接的部分，如管束和管板的连接位置、筒体和管板的焊接位置等都有可能引发失效问题，因此在日常的解决工作中需要按照不同位置失效问题，采用合理的预防手段，主要措施有以下4 个。

2.1 管束失效问题的解决

管壳式换热器设备中管束失效问题的发生主要是由腐蚀现象所引起，尤其是换热管、管板、换热器封头和接管等部分。出现腐蚀和磨蚀失效问题的原因是管束中存在腐蚀性特点的污垢，或是流体具备一定的腐蚀性特征，管束的内壁部分存在异物，长时间积累的情况下出现局部腐蚀问题，也可能是管端有缝隙发生腐蚀。此类失效问题的预防应安排专业的工作人员阶段性对管束进行清洗，合理选择材料，在流体内设置缓释剂，在流体入口的位置设计过滤设备与缓冲设备，从根本层面预防发生失效的现象。

管壳式换热器设备在实际应用期间工作介质具备硬度很高的特征，流体部分带有悬浮物质与颗粒物质，会使管束内壁和外壁出现非常严重的结垢现象。在污垢数量增多、层次增厚的情况下，传热的热阻不断增加，如果不能严格控制会导致介质流道出现阻塞的问题，传热性能降低最终引发设备失效的现象[3]。为有效预防和应对此类问题，应在工作中全方位了解容易受到污染和出现结垢现象的位置，阶段性开展检查工作，如果已经出现了结垢现象必须要经常检查、拆卸和清理，避免结垢问题对设备的正常运行带来影响。

重点预防和应对管束泄漏问题带来的影响，考虑到在介质或是应力间隙腐蚀、碰撞磨损等因素的影响下，管路可能会有轻微裂纹，如果出现了交变应力或高拉应力，裂纹就会不断扩展后出现泄漏。此情况下通常会使用堵管的方式应急性修复，但是此类修复方式会导致管路堵塞以后温差应力增加，导致结构应力腐蚀的速度加快，管路很容易会出现严重破坏性问题，使整体管束报废。因此在实际工作中应做好预防管束泄漏的工作，选择材料符合标准、防腐性能和防损伤性能较好的管束，同时在工作期间降低拉应力与振动问题造成的影响，一旦在设备运行期间出现管束泄漏的现象需及时进行管束的拆卸与更换，以免影响设备的正常运行[4]。

2.2 连接失效问题的合理处理

换热器设备运行中的工作状况和环境存在差异，管束与管板相互衔接的接头位置可能是焊接形式、胀接形式或胀焊并用的形式，由于接头的焊接措施不同导致失效问题的发生也存在差异性。一般情况下管束和管板之间会使用常规性的焊接方式衔接处理，大修过程中可以改变焊接形式，提升换热管和管板相互的焊缝强度，避免发生失效的现象。例如，将之前的单面焊接模式转变成为双面焊接的模式；将管板部分和管束前端部分的平齐焊接结构转变成为管束，伸出一定长度的角形焊接部分创建成专门的工装形式，使管束和管板从之前的平放状态转变为立放状态；在变换热管和管板前部分的位置使用垂直焊接的技术方式，这样在一定程度上可以保证水平焊接的质量能够符合焊接技术标准要求，通过改进焊接技术和工艺模式的方式，保证可以有效预防发生失效的问题。

在连接失效问题解决的环节中还需分析换热管与折流板相互连接位置的情况，一般情况下会在换热管与折流板配合应用的位置设置空隙，而在流体长时间的冲击影响下，配合位置的空隙宽度会逐渐增加，折流板会对换热管造成切割性影响，不仅会引发高振动力和大噪声问题，还会出现泄漏，因此在工作中应全面检查折流板与换热管相互之间配合位置的情况，一旦发现问题必须立即作出处置，保证折流板和换热管相互连接的部分质量与性能符合标准[5]。

2.3 筒体失效问题的解决

通常情况下管壳式换热器设备在运行期间，壳体部分与管束部分的工作环境处于相同的状态，所以在筒体失效与壳体失效预防与解决方面可参照管束失效的解决措施，积极总结归纳丰富经验，采用现代化、系统化的方式增强筒体应用性能与效果，发挥不同措施和工艺技术的作用价值。

在解决与应对问题的过程中，重点关注工作人员的专业能力和综合素养，要求每位人员都具备一定的专业素质，可以结合管壳式换热器设备的特点与特征，运用现代化的技术解决失效问题，保证设备的高质量运行。

2.4 U 形弯管失效问题的解决

管壳式换热器设备中的不锈钢管束中会应用U 形管，其本身形态特点具备塑性变形的特征，应用过程中很容易形成残余拉应力，主要原因就是两个直管段的热变形缺乏均匀度引发温差应力的现象。应力叠加后会导致弯管位置拉应力不断增高，腐蚀介质与设备运行期间所形成的扭曲和弯曲振动力共同作用之下，会导致弯管的位置出现疲劳腐蚀损坏的现象，引发严重的设备失效后果。为解决此类问题应确保热变形吸收利用效果，结合设备的情况增加U 形管的牢度消除其中的残余应力；使用弯管特殊化技术处理方式使得流体进入到设备的面积不断增大，严格控制流速、降低激振频率与激振力量；重点增加管壁的厚度，改善换热管部件的耐磨性能，从根本层面避免在U 形弯管的影响之下发生设备失效的现象[6]。

3 结语

管壳式换热器在应用和实际运行期间，经常会受到很多因素的影响而出现失效问题，对整体设备的运作和使用都会产生不利的影响。因此在管壳式换热器应用阶段，必须要重点分析失效问题的原因和特点，合理使用解决措施，重点应对管束失效问题、连接位置失效问题、筒体结构失效问题与U 形管的失效问题，确保能够改善设备和不同部件的应用性能，降低失效现象的发生概率，从而增强整体设备的运行有效性。