固定管板式换热器的失效分析

摘要：本文通过对固定管板式换热器的结构及工作原理的了解，针对其常见的换热失效形式，分析引起失效的原因，提出相应的预防及解决措施。

关键词：固定管板式换热器换热管管板失效

前言：

固定管板式换热器是在石油化工、煤化工、动力、轻工、食品等行业中最常见应用最广泛的一种换热设备，由于其结构简单制造成本低换热效果好在各行业的通用设备中占重要的地位。近年来随着工业的的不断发展，对能源利用、开发和节约的要求不断提高，其应用领域不断扩大，提高换热效率，降低换热失效能够给企业带来很大的经济效益。

一、固定管板式换热器的结构及工作原理

固定管板式换热器主要由壳体、封头、管板、换热管及折流板等零部件组成。固定管板式热器的结构特点是在壳体中设置换热管、折流板等，换热管两端直接固定在管板上，两端管板和壳体焊接成一体，管板与管箱用螺柱(栓)紧固或者焊接，使管壳程成为两个独立的的空间，进出接管直接焊在壳体或者封头上，根据换热管的长度设置若干块折流板支撑管束，避免壳程流体短路,增加换热效果。

固定管板式换热器管程和壳程中，流过不同温度的介质，通过热量交换完成换热。当两流体的温度差较大时，通常在壳程设置膨胀节，利用膨胀节所发生缓慢的弹性变形来补偿因温差应力引起的热膨胀，由于膨胀节强度的限制，壳程压力不能太高，

二、固定管板式换热器的失效分析及预防措施

固定管板式换热器在不同的工况和介质环境下，会发生多种形式的失效。以下就针对几种常见的失效形式进行简要分析并提出预防及解决措施：

2.1管板与换热管连接处的失效

管板与换热管的连接处属于几何形状突变处,因为温差应力的存在、连接方式不当及焊接缺陷等因素影响使管板与换热管连接处可能存在较大的残余应力,焊接部位呈隐性缺陷状态(含有气孔,杂质等)，此外管板与换热管连接处在壳程流体的腐蚀性和诱导振动的双重作用下，会出现应力腐蚀开裂、缝隙腐蚀和振动疲劳破坏，它们之间的相互影响,又加快了连接处的破坏速度。以下几种措施能够在一定程度上预防管板与换热管连接处的失效：

(1)管板与换热管焊接前一定要将换热管管头及管板焊接部位清理干净，以免影响焊接质量。

(2)管板与换热管根据工况、介质特性及材料选择正确的连接方式。如介质为高度危害不允许有微量泄漏对密封性要求很高的情况下，采用强度焊加贴胀。

(3) 管板与换热管的材质最好匹配，尽量消除不同材料接触所形成的电势差，此外焊接材料和焊接工艺的选择也很重要。

2.2换热管与折流板的配合处的失效

为了方便管束装配及考虑运行过程中换热管的热膨胀，设计时通常在换热管与折流板的配合处留有一定的间隙。在壳程流体的腐蚀或磨蚀作用下，配合处间隙逐渐加大使壳程流体的流动变得更加复杂引起管束振动,也会使折流板变薄切割换热管而引起换热管的泄漏失效，影响换热器的传热效率。以下几方面的建议可以减缓其失效：

(1)设计时尽量减小换热管与折流板的配合处间隙，也可以在与折流板配合处的换热管位置设置保护套防止折流板对其的切割破坏。

(2)折流板材质硬度尽量低于换热管，降低在接触过程中折流板对换热管的磨损破坏。

(3)折流板钻孔后应去除管孔周边的菱角和毛刺，尽量采用厚壁换热管或者增大折流板厚度提高抗切割能力。

(4)采用新型纵向流管支撑，改变管束支撑形式，如折流杆、空心环形或者异形折流板等，可以降低壳程流体的压力降，有效的消除流体的诱导振动。

2.3管束失效

(1) 换热管泄漏失效

管束失效大多数是因为换热管受到腐蚀性流体的冲蚀和磨蚀等引起泄漏所导致，固定管板式换热器因其特定的结构特点在同直径的管壳式换热器布管直径大，如壳程流体进口处不做防冲保护或者防冲保护不到位，设备运行时有腐蚀性或磨蚀性的气体、蒸汽等流体不断的对换热管进行冲蚀，还有换热管内壁因污物积累发生局部腐蚀，换热管管端发生间隙腐蚀，这些情况会使换热管产生微观裂纹，在高拉应力或交变应力作用下，裂纹会迅速扩展而发生泄漏失效。为了不影响整个系统的运行，现场常常将泄漏坏掉的换热管堵死，很快发现换热管会发生更严重的破坏以至管束整体报废，究其原因堵管后温差应力增大，从而加快了自身的应力腐蚀，操作中如发现换热管泄漏，尽量不要堵管而要及时更换新的换热管。在设计制造过程中要充分的考虑介质特性合理选择换热管材质，在壳程流体进出口设置过滤装置、缓冲结构等减缓流体对换热管的冲蚀或者换热管内外壁做防腐等， 也可在流体中加入缓蚀剂，都可以有效预防失效的发生。

(2) 传热能力下降

设备运行过程中，由于工作介质中含有颗粒物、悬浮物等杂质导致换热管内外壁严重结垢，随着污垢层逐渐增厚，传热热阻不断增大，严重时污垢会阻塞换热管，从而导致换热能力迅速降低，应定期及时检查设备流量、压力和温度等操作记录分析定结垢情况，最好能够掌握引起污垢物质、容易发生污垢部位及污垢发生程度。

2.4管板与壳体连接处的失效

由于壳体和管板在设备运行过程中承受着较大的温差应力，壳体温度载荷高径向变形大,而管板温度载荷低径向变形小,因管板厚度远大于壳体厚度,其抵抗变形的刚度也大,所以它对与管板连接处的壳体约束就大，从而限制了壳体在高温载荷作用下引起的径向膨胀,导致局部应力集中，在压力载荷等因素的作用下,可能发生断裂破坏，在设计制造过程中在满足结构强度要求的前提下，可以考虑适当的减小管板厚度。当管板与壳体的连接处采用焊接结构，因焊接缺陷也会导致管板与壳体的连接处开裂腐蚀破坏。

2.5膨胀节处的失效

当管壳程流体的温度差较大壳体和换热管产生的热膨胀不同时，需要设置膨胀节来补偿因温差应力引起的热膨胀。但是由于工况、介质腐蚀和膨胀节加工制造缺陷等因素导致膨胀节破坏失效影响换热器的使用。如胀节运行过程中波峰或波峰波谷过渡部位减薄开裂破坏造成内部泄漏，可选用多波膨胀节或者焊接结构膨胀节提高膨胀节使用寿命。

2.6密封处的失效

制造过程中，由于组装施焊顺序不当、焊接参数选择不合理等原因引起管板的焊接变形，导致垫片不能压紧密封不严，还有受工况、交变应力、腐蚀和疲劳等因素的影响导致垫片破坏密封面泄漏都会引起密封失效。

此外还有很多情况如材料选择不当、加工制造缺陷、设备操作不当或者频繁地开停机等都会造成壳体、换热管甚至整台换热器失效。

结束语：

固定管板式换热器的失效主要与工况、介质的特性及材料选择等多种因素有关，由于工况情况复杂，各种失效形式之间存在着必然的联系和影响，有时是几种因素共同作用的结果，所以在设计、加工制造和安装维修过程中应综合考虑各方面因素，确保设备安全可靠高效的运行。

参考文献：

[1]车达、白建涛；管壳式换热器失效问题的探讨科技传播；2010年10期

[2]孙勇；管壳式换热器失效分析及解决措施；化工装备技术：2006年04期