板式换热器板片的损坏原因和对策

李永哲，刘铠，张奇

（吉林省四平地质工程勘察院，吉林 四平 136001）

换热设备是使热量从热流体传递到冷流体的设备，化工厂中换热设备投资约占总投资的10%～20%，换热设备主要作用是使热量由高温流体传递给低温流体满足工业流程需要。国内使用换热器多为列管与螺旋板换热器，交换系数相差较大的介质在管内外进行热量交换效率较低，虽然出现大量结构紧凑高效的换热器设备，但管壳式换热器仍占据主导地位。新型焊接板式换热器具有顶部温差小费用低等优点，适合在化工领域广泛使用。板式换热器板片薄传热效果好，传热系数k 值比管壳式换热器提高3 ～5 倍，增减板片数量可满足板式换热器生产改变工艺条件的要求。板式换热器使用中由于各种原因导致板片失效损坏，需要分析板式换热器板片损坏的原因研究有效处理对策。

1 板式换热器研究

1.1 板式换热器类型特点

换热器是用于工业生产中热量传递的重要设备，工作中可以充当生产工艺设备的组成部分，换热器可用作加热预热器及转发器等，近年来，对换热器需求不断加大促进产业市场的发展，目前节能高效成为工业生产中的重要方面，因此板式换热器近年来得到了迅速发展，由于其紧凑性好等优点在各领域得到广泛应用。板式换热器具有传热系数高，占地面积小与价格低等优点，但目前我国板式换热器研究设计水平相比国外存在很大差距，提高板式换热器综合性能是设计研究工作中需要解决的重要问题。

板式换热器是由多个具有波纹形状的金属薄板相互平行方式堆叠组装，冷热流体在板片两侧交互流动，板式换热器应用广泛种类众多，根据外形包括焊接板式、板卷式与可拆卸板式换热器等。焊接板式换热器具有使用温度范围大等优点因此在国内外得到了开发应用，主要形式有全焊接与板焊接式换热器。全焊接板式换热器组成部分包括换热板片、折流板及副流体侧嘴等部分，板片间通过纵向焊接焊缝相对固定，板束侧面装配四块面板，板束上下压板维持压力使板束处于密封状态，折流板安装在板束上使流体改变流动方向。板片是板式换热器主要传热元件，人们研发出多种波纹形状板片，板片波纹形成板束的介质流道通过板片进行换热。

1.2 板式换热器原理

板式换热器是系列相互平行的薄金属板相叠形成，冷热流体在板片各自流道流动，钎焊时换热器传热系数较高，铜钎焊板式换热器是纯度高于99%的铜箔材料在真空钎焊炉高温作用下形成板式换热器。板式换热器主要换热元件是金属波纹板片，工业中广泛应用的波纹板片为人字形与水平平直波纹板片。人字形波纹板片传热效率高流动阻力大，流体在多变流道中流动消耗更多能量。随着流速提高流体在流道内阻力增长快，提高流速具有局限性。板式换热器为热分系数a 的提高依赖流体条件的改变，相邻板片的间隙通常为2 ～8mm,组成的流道方向不断改变，流体在流道流动遇到多次流向变化，低流速时激起强烈湍动，有效降低界面处液膜的热阻，使流体在换热器内均匀分布。板片是板式换热器的主要换热元件，板片结构决定其传热性能，需要研究换热器板片优化设计减少故障损坏保证设备正常运行。

1.3 板式换热器的应用

现有板式换热器板片波纹以人字形最多，板式换热器阻力较大成为限制其应用的主要因素，许多学者采用可视化技术等手段掌握板式换热器波纹倾角对传热性能的定量影响。板式换热器是工业传热中的重要设备，随着技术的进步，近年来，开发系列新型板式换热器，适用范围不断扩大，促进生产量的提高。焊接型板式换热器是余热污水利用中的关键设备，近年来，因其质量轻、运行成本低等优势受到了人们的关注。目前板式换热器研究发展趋势是强化传热性能，增大流体处理量，研制新型适用于腐蚀介质板片提高工作压力温度。

2 板式换热器失效故障分析

板式换热器是通用的热能动力机械设备，因其高效紧凑近年来得到了迅速发展。板式换热器是用薄金属换热板片叠装成的换热设备，换热器板片间形成许多小流通断面流道，在相同流动阻力情况下传热系数高，各国学者在传热特性、结构设计等方面开展大量研究工作，出现蒸发冷凝等多种用途板式换热器。目前，国内开发板片规格形式少，需要加强对板式换热器的研究分析板片适用范围。板式换热器生产使用中由于多种原因导致失效，需要系统总结板式换热器失效故障原因，采取有效的处理措施。

2.1 板式换热器失效形式

板式换热器设计使用中由于密封结构设计不合理、压紧操作不当等原因发生泄漏等失效事故，换热器存在结垢问题，板式换热器流通截面积小易产生堵塞，板片腐蚀产生堆积造成堵塞失效。结构堵塞导致换热面被污染，严重时导致阻力增大压降过大。换热器腐蚀大量普遍存在，金属材料经常在物理机械因素作用下产生破坏。机械产品零部件失效是损伤扩展到破坏的发展过程，失效形式有多种，失效分析是机械产品零部件使用中发生失效现象特征规律查找原因提出预防措施的技术管理活动。板式换热器长期工作在高温压力环境中主要出现变形与腐蚀失效。

板式换热器板片是由不锈钢等材料薄板压制，板片用模具压制形成沟槽可增大刚度，板片组装压紧力过大横向刚度不能抵抗塑性变形导致发生泄漏事故。板片两侧流体压力差较大引起板片发生可恢复弹性变形，影响传热效果造成泄漏事故。密封垫片变形失效是橡胶垫片在夹紧力作用下发生永久压缩变形。腐蚀是材料表面受周围环境介质化学作用使材料破坏现象，板式换热器腐蚀主要是板片腐蚀，板片腐蚀以局部点缝隙与应力腐蚀为主。换热板片大多由不锈钢薄板压制，但钝化膜破坏后发生腐蚀，局部腐蚀速度较快不易发现，板式换热器出现腐蚀主要是应力腐蚀破裂。板式换热器缝隙腐蚀主要是发生在板片与密封垫间及垢层底部，缝隙内耗尽形成氧浓度差电池造成腐蚀破坏，腐蚀扩展由于闭塞电池作用快速发展催化。应力腐蚀是腐蚀与拉应力作用造成材料破坏，应力来源包括加工制造产生残余应力等，应力腐蚀是板式换热器主要腐蚀破坏形态。

2.2 板式换热器失效故障原因

板式换热器失效原因复杂，失效分析期限短工作效率要求高，大多数失效分析关键性试样有限，需要有正确的分析思路得到正确结论。失效是材料的累积损伤过程，板式换热器失效客观规律是失效分析的理论基础，失效分析思路是以失效规律为依据，通过观察检查获得失效信息结合作为统一综合分析，判断失效事件类型原因。失效分析要有合理的程序，失效分析程序主要包括明确目标要求，现场取证及背景资料收集，失效件观察检测等。目前广泛应用的失效分析技术包括痕迹分析法与断口分析技术。

板式换热器设计制造中由于板片安装不当、保养不及时等原因发生泄漏，应力腐蚀破裂等失效事故。内漏是压力较高侧介质串如低压侧介质中，常在检查系统中压力温度出现异常时发现，泄漏事故主要由于密封失效引起，密封垫安装与压力温度是影响密封失效的主要因素。目前，板式换热器密封垫片材料有压缩石棉纤维、聚四氟乙烯包覆防护橡胶等。板片安装时，密封垫片用胶水粘在板片密封槽内，密封垫片和密封槽对位必须准确。生产运行中因操作不当等引起工作压力波动，造成瞬时压力陡增，使密封垫片位移导致密封失效泄漏。板式换热器板片支承点处常发生点腐蚀，板片密封槽处常发生缝隙腐蚀造成介质外漏。腐蚀是换热器损坏的重要原因，金属材料受周围介质作用在物理机械作用下产生破坏，化学腐蚀是金属表面与周围介质发生化学反应，电化学腐蚀是金属材料与电解质溶解接触发生破坏。板式换热器腐蚀主要是指板片腐蚀，应力腐蚀破裂常发生在板片密封槽底部，大多由介质氯化物引起，发生应力腐破裂原因包括板片间支承点处易结垢，板片组装后形成多缝隙结构等。

3 板式换热器板片的损坏原因和处理措施

某热力供热公司从热能科技公司订购板式换热机组4 套，单独板式换热器2 台，板式换热机组停运后清洗板片发现有孔洞，通过板片基体进行化学分析，对裂纹部位进行显微组织与能谱微区成分分析，得到板片产生裂纹原因，在介质环境中具有的Na 离子与应力作用下腐蚀增加。供暖季运行情况为换热器水系统循环流程为一次侧交换热水上进下出，一二次系统各自密闭循环。换热器二次循环水进行水压力0.6MPa,二次循环出水压力为0.59MPa。换热器一次循环水进出压力为1.48MPa,一次循环出水压力为1.47MPa。

补水泵抽取补入二次系统，热源首站向水中按100:1 加入高温阻垢分散剂。城东换热器站问题1#、2#、3#、4#板片4 片，城南新区换热站问题板5#、6#片2 片，未投入使用板片换热器7#板片1 片。送检6 片问题板片存在类似问题，右侧沟槽弧形凸棱边缘对应部位有宽窄不同的长条形缺陷，板片随机分布不规则形状孔洞，根据送检板式换热器板片缺陷分布特征针对问题板片解剖。一次循环水进水侧人字形沟槽右侧弧形凸棱边缘条形缺陷较浅，不规则孔洞数量较多。一次循环水进水侧人字形沟槽右侧弧形凸棱边缘对应部位长条形缺陷严重部位3 处，不规则形状孔洞数量较多。换热器板片材质为316L，检测显示板片材料成分符合《不锈钢耐热钢化学成分》规定要求。对3#、6#板片做钢中纯净度检测，表明板片钢中纯净度较高符合标准要求。

3#板片基体组织为变形奥氏体，晶粒度8.0 级，严重处a-相铁素体面积含量达1.5 级。6#板片基体组织为变形奥氏体，奥氏体基体沿轧制变形方向分布a 相铁素体。6#板片缺陷区扫描电镜微区分析表明，中间大面积形成孔隙，孔壁沿晶腐蚀花样呈平行条文状，腐蚀孔周围平面区域显露腐蚀迹象，可见清晰纹理的腐蚀花样。基体中发现有Na 等元素，最高处Na 含量达9.98%，换热器板片局部区域产生严重孔隙腐蚀，腐蚀与所在部位应力状态相关。3#板片缺陷区扫描电镜微区分析表明，孔边播参差不齐，棱边有唱片状腐蚀坑，腐蚀程度较轻未形成孔隙。基体中发现Na 等元素，Na 元素最高处达※3.01%，换热器板片局部区域产生长条形坑状腐蚀损坏与所在部位应力状态相关。为防止板式换热器失效事故发生，建议日常生产中严格检测控制冷却水中的Cl-浓度；板片腐蚀造成泄漏堵塞等失效事故，应考虑材料抗介质腐蚀能力，选用材料各成分含量要符合标准要求。板片密封槽设计要合理，减少密封失效引起泄漏事故，密封粘胶不采用含氯黏结剂。

4 结语

板式换热器板片材质分析表明材料成分符合316L不锈钢要求；板片钢中纯净度较高，板片显微组织为变形奥氏体，基体上分布沿轧制变形方向分布a-相铁素体；固溶处理时加热不足产生。铁素体与奥氏体电位不同，易形成微电池加剧点腐蚀。一次循环水进水侧人字形沟槽右侧沟槽弧形凸棱边缘有宽窄不同长条形缺陷，板片上随机分布不规则形状孔洞。换热器板片局部产生严重孔隙型腐蚀，由应力腐蚀开裂产生。板式换热器运行中水循环造成板片各部位产生作用应力，胶垫边缘对应部位作用盈利较大，由于金属表面与非金属表面间连接处缝隙提供浓差电池腐蚀条件。充分了解板式换热器结构设计，正确选用维修可以保证设备可靠运行。