管殼式換熱器的失效、破壞后成因與控制

　　【中國制冷網】在各類換熱器的制造與使用中，管殼式換熱器占據著核心的地位，原因在于其耐高溫高壓、傳熱系數高、安裝方便、結構緊湊、生產成本低等特點。同時，因為其結構的多樣性以及應用要求的復雜性原因，從而引起換熱器各種形式的失效情況。如：換熱管與管板之間的連接處容易出現失效，筒體與管板之間的焊縫處也容易失效。換熱管出現振動現象、熱應力或是附加應力以及工作媒介的腐蝕性等情況均會導致換熱器部分或是整體性的失效后果。

　　一、換熱管與管板之間的連接

　　1.1機械滾脹法

　　機械滾脹法，一般會造成換熱管出現過脹或是欠脹的情況, 換熱管的內壁容易出現加工硬化現象。如下圖1所示為脹接方式，主要應用在抗拉脫能力和密封性高的環境中，不可以在高溫環境中工作。在出現溫差改變時，脹接位置的殘余應力會慢慢消失，降低了抗拉脫力和密封性能，從而造成換熱管和管板之間連接的失效。它的優點在于脹接的結構比較簡單，有利于換熱管的更換和修補，通常運用在設計壓力不高于4.0 MPa以及設計溫度不高于300 ℃的條件下。

　　圖1  脹接方式示意圖

　　1.2液壓脹接

　　液壓脹接法，使管板與換熱管的連接位置應力分布均勻，具有勞動強度低、生產效率高、密封性良好等優點，但是對于管板的管孔以及開槽的精度要求特別高

　　1.3爆破脹管

　　爆破脹管，指的是利用爆炸時產生的徑向力，使得換熱管脹緊，與此同時，利用爆炸時產生的軸向力，將管內殘渣甩出管外。脹接法適用于無劇烈振動，無過大的溫度波動，無明顯的應力腐蝕傾向的場合。

　　1.4焊接法

　　換熱管與管板如采用焊接形式如下圖2所示時, 換熱管和管板焊縫連接處產生殘余應力狀態，從而造成應力腐蝕和腐蝕疲勞，換熱管和管板的連接處易產生失效泄漏。因而在施焊時，需對管端加以打磨，清除焊接范圍的污染物。焊接法不適用于較大振動、有縫隙腐蝕傾向的場合。

　　圖2  焊接方式示意圖

　　二、管殼式換熱器失效與受到破壞的成因分析

　　腐蝕是管殼式換熱器z*常見的失效形式。腐蝕z*常見的部位為換熱管與管板連接處，受到腐蝕的成因如下：管殼程工作介質自身的酸堿性存在著腐蝕性，殼體或是換熱管中的拉應力，換熱管和管板之間存在著縫隙等情況。上述情況均會加快腐蝕的進度，從而造成換熱器的失效。

　　2.1工作介質腐蝕

　　若工作介質內溶解一定含量的氧、氮、氫與硫等元素，一般會造成換熱器的失效。選擇合理的媒介決定著換熱器的使用壽命，不同的腐蝕性介質要選用相對應的預防對策。如：使用回收硝酸尾氣作為熱量的廢熱鍋爐，因為硝酸尾氣中主要成份是氮化物， 當其處于一定的溫度與壓力環境中，氮和鐵其他不少的合金元素會產生硬且脆的氮化物，從而造成鋼材出現氮化的現象，z*終降低力學性能趨弱。特別是高溫氣體的入口處，工作介質腐蝕會造成管板的表面、管板與換熱管之間的連接處以及管板外部的換熱管端面由于氮化的緣故而出現泄漏情況。海洋環境中使用的設備面臨著更加復雜的腐蝕情況，如：吸氧腐蝕、海生物腐蝕等。金屬腐蝕還與海水的氧含量、溫度、PH、溶液成份、海水的流速等因素有關。紫銅對海水流速腐蝕z*敏感，B10銅合金對加入海砂后的沖刷腐蝕也很敏感。大部分銅合金在流動海水均存在臨界流速。如：海水流速超過4.5米/秒,  B30銅合金腐蝕速度非常的快。銅合金在海水環境中還面臨著脫成分腐蝕情況。

　　2.2應力腐蝕

　　應力腐蝕是z*廣泛z*嚴重的一種失效形式。其產生的基本條件有三點：（1）敏感材質，發生應力腐蝕主要是合金，純金屬極少發生。（2）特定的介質，如酸堿鹽溶液、海水、工業大氣、水蒸汽等（3）足夠的拉應力。管殼式換熱器在熱處理、焊接以及加工過程中出現的殘余應力，設備在工作條件下承受外載荷而引起的工作應力，溫差引起的熱應力，設備、部件的安裝和裝配而引起的應力以及腐蝕產物體積效應而引起的應力等。因此，應及時地清除應力腐蝕影響。

　　2.3 縫隙腐蝕

　　縫隙腐蝕是因金屬與非金屬之間或金屬與金屬之間存縫隙，使縫隙內介質處于滯流狀態而引起縫內金屬腐蝕加速的一種局部腐蝕形態。縫隙腐蝕的條件是應具有一定的縫隙，其寬度必須能使介質進入縫內，同時又必須窄到能使介質在縫內停滯。一般發生縫隙腐蝕z*敏感的縫寬為0.025mm~0.1mm。如換熱管與管板采用如上圖2所示焊接時，管板和換熱管之間存在著縫隙往往就會發生縫隙腐蝕。因此，應及時地改善制造工藝盡量避免縫隙的存在。

　　2.4腐蝕疲勞

　　腐蝕和循環載荷協同作用下往往會發生腐蝕疲勞，腐蝕環境中運行的設備要經常承受交變載荷，很少有實際構件只承受單向靜態負載，腐蝕疲勞其危險程度比單純的腐蝕或疲勞要嚴重得多。因此，分析腐蝕疲勞損傷發生發展的原因和速度，進而評估設備的使用壽命或找到有效的腐蝕疲勞斷裂的控制措施，提高設備運行的可靠程度。

　　2.5點腐蝕

　　腐蝕出現在金屬表面很小區域并逐步深入到金屬內部，而其他大部分表面不發生腐蝕或腐蝕很輕微的形態。產生點蝕的條件：（1）多發生在表面生成鈍化膜的金屬和合金上或表面有陰極性鍍層的金屬上。（2）往往有侵蝕性鹵素離子與氧化劑共存。（3）對給定的金屬—介質體系，存在一特定的臨界電位，高于此電位時才發生點蝕。

　　三、管殼式換熱器失效的控制方法

　　3.1結垢

　　管殼式換熱器在操作一定時間之后，若管壁的結垢非常地明顯，那么傳熱能力就會弱化，換熱介質的出口溫度無法與z*初設計的工藝參數要求相吻合，污垢造成管內徑日益變小，流速則遞增；壓力受損遞增。此時，應采用定期性的流量檢測、壓力與溫度等多種操作方式來界定結垢的狀況。

　　3.2腐蝕與磨損

　　污垢、換熱介質、流體速度偏大以及電化學等一系列原因均會造成換熱器殼體、換熱管以及外部出現腐蝕與磨損。殼體一般采用超聲波測厚設備或是其他的非破壞性測厚設備，由外部檢測與評估的方式界定能夠產生腐蝕與減薄等殼體具體部位。換熱管在出現破裂之前的腐蝕與磨損狀況采用渦流探傷法進行分析，詳細分析換熱管壁厚減薄量，同時也對換熱管缺陷的深度進行分析，提前預防并控制換熱器的失效。

　　3.3泄漏

　　換熱管因為腐蝕以及誘導振動等緣故會出現破裂的現象，管端因為腐蝕以及高溫蠕變等，再加上疲勞破壞等緣故從而造成換熱管和管板之間的連接處出現泄漏。有效的控制方法：在流體出口處取樣，分析它的色澤、粘度以及比重等指標來測試管束的泄漏與破壞的程度。

　　3.4振動

　　換熱管束會和泵、壓縮機發生共振的情況，回轉機械會發生直接脈動的沖擊，流體會產生一定的振動，通過采用振動測試設備或振動聲響的方式來推斷振動的情況。

　　3.5內孔焊技術

　　有些換熱器是工作在高溫與腐蝕性應力環境中的，換熱管與管板如采用上圖2方式焊接時，管板和換熱管內部會存在著間隙，同時焊縫遇到高溫外界腐蝕性流體載荷沖擊影響，很容易出現腐蝕開裂的情況，從而在很大程度上縮短了設備的使用壽命。為了降低高溫腐蝕性流體對管板焊縫所帶來的損害，必須改善焊接工藝來加以控制，優化管板和管束之間的連接形式。可以選擇對接焊縫形成對接接頭或鎖底接頭內孔焊結構。對接焊縫形成對接接頭內孔焊形式如下圖3所示。內孔焊接頭技術能夠有效地降低換熱管和管板接頭處所存在的應力腐蝕和間隙腐蝕等情況。

　　圖3   管板形式示意圖

　　四、結論

　　通過上述分析，管殼式換熱器的失效、破壞與工作介質、材料、設備結構、設備操作、流體載荷等多種因素存在著內在的關聯性，也是上述因素的共同作用。因此，在設計管殼式換熱器時應考慮材料的選用、管板的強度、換熱管強度和穩定性、制造工藝、設備結構、設備操作和使用環境狀況及工作介質性質等各類影響因素，達到有效控制管殼式換熱器失效目的。