换热器讲义.doc

第一章 换热器分类一、按换热器所使用的材料种类分类 1 金属材料换热器 这种换热器普遍用于石化行业中。如果再细分类的话，还可以将其分为碳素钢换热器、低合金钢换热器、不锈钢换热器和有色金属换热器（如铜、钛等）。 2 非金属材料换热器 如石墨、玻璃钢、陶瓷换热器等，多用于一些特殊场合，如强腐蚀介质等。二、按换热器传热方式分类 1 混合式换热器 混合式换热器，有时也称作直接接触式换热器。它是将冷热两种流体通过直接接触进行热量交换而实现传热的，如常见的凉水塔、洗涤塔、气液混合式冷凝器等。在凉水塔中，热水和空气直接接触，进行热量交换，空气把水中的热量带走而使水降温。在混合式冷凝器中，蒸汽和水直接接触，蒸汽被水冷凝成液体，而水被蒸汽加热而升温。 2 蓄热式换热器 蓄热式换热器，一般设有由耐火砖构成的蓄热室。在传热过程中，冷热两种流体交替通过蓄热室。当热流体通过时，蓄热体吸收了热流体的热量而升温，热流体放出热量而降温；然后再让冷流体通过蓄热体，蓄热体把热量释放给冷流体而降温，冷流体吸收热量而升温。如此反复进行，以达到换热的目的。实现这一交替过程是用切换阀来完成的。蓄热式换热器多用于冶金工业中的炼钢等场合，在合成氨厂的造气过程中也有应用。 3 间接式换热器 间接式换热器，有时也称作表面式换热器。所谓间接式换热器，就是冷热两种流体被一固体壁隔开，不能直接接触，而热量的传递是通过固体壁进行的。这种换热器在工业上特别是在石油和化工行业中应用最为广泛，如管壳式换热器、套管式换热器、板式换热器、水浸式冷凝冷却器等等。 A 混合式换热器利用冷、热流体直接接触与混合作用进行热量的交换。这类换热器的结构简单、价格便宜，常做成塔状。此图是一搁板式冷却塔的示意图。 B 蓄热式换热器在这类换热器图中，热量传递是通过格子砖或填料等蓄热体来完成的。首先让热流体通过，把热量积蓄在蓄热体中，然后再让冷流体通过，把热量带走。由于两种流体交替输入，因此不可避免地存在着一小部分流体相互掺和的现象，造成流体的“污染”。蓄热式换热器结构紧凑、价格便宜、单位体积传热面大，故较适合用于气气热交换的场合。 C间接式换热器这是目前用得最为广泛的一种换热器。结构如图所示。在圆筒形壳体中放置了由许多管子组成的管束，管子的两端固定在管板上，管子的轴线与壳体的轴线平行。为了增加壳程流体的速度以改善传热，在壳体内安装了折流板。这种换热器的结构不算复杂，造价不高，可选用多种结构材料，管内清洗方便，适应性强，处理量较大，高温高压条件下也能应用。但传热效率、结构的紧凑性、单位传热面的金属消耗量等方面尚有待改善。 第二章 常用换热器的结构特点 （1）固定管板式换热器 固定管板式换热器的典型结构如图21（a）所示，管束连接在管板上，管板与壳体焊接。其优点是结构简单、紧凑、能承受较高的压力，造价低，管程清洗方便，管子损坏时易于堵管或更换；缺点是当管束与壳体的壁温或材料的线膨胀系数相差较大时，壳体和管束中将产生较大的热应力。这种换热器适用于壳侧介质清洁且不易结垢并能进行清洗，管、壳程两侧温差不大或温差较大但壳侧压力不高的场合。为减小热应力，通常在固定管板式换热器中设置柔性元件（如膨胀节、挠性管板等），来吸收热膨胀差。 （2）浮头式换热器 浮头式换热器的典型结构见图21（b），两端管板中只有一端与壳体固定，另一端可相对壳体自由移动，称为浮头。浮头由浮头管板、钩圈和浮头端盖组成，是可拆连接，管束可从壳体内抽出。管束与壳体的热变形互不约束，因而不会产生热应力。浮头式换热器的特点是管间和管内清洗方便，不会产生热应力；但其结构复杂，造价比固定管板式换热器高，设备笨重，材料消耗量大，且浮头端盖在操作中无法检查，制造时对密封要求较高。适用于壳体和管束之间壁温差较大或壳程介质易结垢的场合。（3）U形管式换热器 U形管式换热器的典型结构如图21（c）所示。这种换热器的结构特点是，只有一块管板，管束由多根U形管组成，管的两端固定在同一块管板上，管子可以自由伸缩。当壳体与U形换热管有温差时，不会产生热应力。由于受弯管曲率半径的限制，其换热管排布较少，管束最内层管间距较大，管板的利用率较低，壳程流体易形成短路，对传热不利。当管子泄漏损坏时，只有管束外围处的U形管才便于更换，内层换热管坏了不能更换，只能堵死，而坏一根U形管相当于坏两根管，报废率较高。 U形管式换热器结构比较简单、价格便宜，承压能力强，适用于管、壳壁温差较大或壳程介质易结垢需要清洗，又不适宜采用浮头式和固定管板式的场合。特别适用于管内走清洁而不易结垢的高温、高压、腐蚀性大的物料。（4）填料函式换热器: (d)填料函双壳层换热器；(e)填料函分流式换热器； 填料函式换热器结构如图21（d）、（e）所示。这种换热器的结构特点与浮头式换热器相类似，浮头部分露在壳体以外，在浮头与壳体的滑动接触面处采用填料函式密封结构。由于采用填料函式密封结构，使得管束在壳体轴向可以自由伸缩，不会产生由壳壁与管壁热变形差而引起的热应力。其结构较浮头式换热器简单，加工制造方便，节省材料，造价比较低廉，且管束从壳体内可以抽出，管内、管间都能进行清洗，维修方便。 因填料处易产生泄漏，填料函式换热器一般适用于4MPa以下的工作条件,且不适用于易挥发、易燃、易爆、有毒及贵重介质，使用温度也受填料的物性限制。填料函式换热器现在已很少采用。（5）釜式重沸器 釜式重沸器的结构如图21（f）所示。这种换热器的管束可以为浮头式、U形管式和固定管板式结构，所以它具有浮头式、U形管式换热器的特性。在结构上与其他换热器不同之处在于壳体上部设置一个蒸发空间，蒸发空间的大小由产气量和所要求的蒸气品质所决定。产气量大、蒸气品质要求高者蒸发空间大，否则可以小些。 此种换热器和浮头式、U形管式换热器一样，清洗维修方便，可处理不清洁、易结垢的介质，并能承受高温、高压。 第三章 管壳式换热器常用材料一、管箱和壳体 换热器管箱和壳体材料的选择原则、钢材标准、热处理状态及许用应力值均按GB150 “钢制压力容器”中有关材料章节的规定。也可按该标准的附录A “材料的补充规定”选用钢材。当设计压力1 .OMPa ，钢板使用温度为O 一350 ，钢板厚度不大于16mm ，且介质中无液化石油气以及毒性为高度或极度危害的介质时，可选用Q235A ；当设计压力1 .6MPa ，钢板使用温度为0一350 ，钢板厚度不大于20mm ，且介质中无毒性为高度或极度危害的介质时，可选用Q235B ；当设计压力2.5MPa ，钢板使用温度为0一350 ，钢板厚度不大于32mm 时，可选用Q235C ；当介质为液化石油气等气体时，应选用20R 或16MnR 等容器用钢。当换热器的设计温度低于或等于一20 时，可按GB151 附录“低温管壳式换热器的补充规定”选择低温用材。 二、法兰盖、管板和大法兰 1 法兰盖 当换热器内径小于等于80Omm、设计压力不大于4.OMPa 时，管箱可以采用平盖管箱结构 ，这样不必拆卸整个管箱，就可检查换热管与管板的接头和清洗换热管内部。当管箱采用碳钢制作时，经强度计算法兰盖的厚度小于等于60mm 时，可用20R 或16MnR 等压力容器用钢板来制作。当法兰盖的设计厚度大于60mm 时，由于厚钢板在轧制时易产生内部分层和夹渣等缺陷，质量不易保证，故应尽量选用碳素钢和低合金钢锻件来制作法兰盖。当管箱采用不锈钢制作时，法兰盖一般也相应采用不锈钢。当管箱采用碳素钢或低合金钢加内衬不锈钢制作时，法兰盖一般也相应采用碳素钢或低合金钢加不锈钢衬层来制作。 2 管板管板是管壳式换热器中的重要承压部件之一。当管板和法兰制成一体时，它还要同时承受压力和法兰力矩的作用，管板上所开的换热管孔，对其强度又有所削弱。所以管板的受力情况比较复杂。因此管板的选材和制造都十分重要。管板可用钢板或锻件加工而成。由于炼钢和轧钢的原因，无论是碳钢还是合金钢，钢板的质量一般都随厚度的增加而降低。而锻钢由于其锻造工艺决定了其许多性能优于钢板，但制作管板的锻钢价格要明显高于钢板。所以应视压力、介质、结构、使用场合等情况分别选用钢板、锻钢或带有复层的钢板或锻钢来制作管板。 l ）锻钢制管板 ( l ）当管板的设计厚度超过60mm 时，应采用锻钢来制作； ( 2 ）形状复杂的管板应采用锻件制作。此时若用板材则既费料又费时； ( 3 ）以凸肩直接与壳体相焊的管板，应采用锻钢制作。 2 ）钢板制管板 除上述特殊情况外，一般可用板材来加工管板。但所用板材应为压力容器用钢板。这是因为，一方面管板确为特殊的承压件，另一方面压力容器用钢板的质量要高于普通结构钢板。如：压力容器用钢板的冶炼方法、硫和磷含量控制、轧制工艺、力学性能要求都较严，检验项目较多以及检验比率较高。 3 ）带有复合层的钢板或锻钢制管板 当介质的腐蚀性强到必须采用不锈钢或高合金耐腐蚀材料时，可在钢板或锻钢的一面或两面增设耐腐蚀材料，即用带复合层的复合管板来代替整体耐腐蚀材料管板。 3 大法兰 典型的浮头式换热器有四个或五个大法兰，它们是：管箱法兰1 个（当采用封头管箱时）或2 个（当采用平盖管箱时），管箱侧法兰1 个，外头盖侧法兰1 个和外头盖法兰1 个。除外头盖侧法兰外，一般均应采用压力容器法兰（“压力容器法兰”指的是标准JB4701 甲型平焊法兰 、J 砚702 乙型平焊法兰 和JB4703 长颈对焊法兰 ）。大法兰材料选择的一般原则与前面讲到的法兰盖相同。 三、换热管 换热管是组成管束的重要元件。也是一个重要的承压部件。一旦发生泄漏，不是影响产 品质量，就是被迫停车。而且更换管子耗时长，难度大。尤其是U 型管换热器管束内部的U 型管就更难以更换。因此换热管本身的质量就显得十分重要了。一般可按使用条件选用下列标准中的冷拔管。 GB8163 输送流体用无缝钢管 ； GB9948 石油裂化用无缝钢管 ； GB2270 不锈钢无缝钢管 ； GB6479 化肥用高压无缝钢管 ； GB 1 3296 锅炉、热交换器用不锈钢无缝钢管 ； GB 12771 流体输送用不锈钢焊接钢管 ； GBS 1 63 输送流体用无缝钢管 中的较高级冷拔管（l 级），适用于无相变传热和易产生振动的场合。普通级冷拔管（11 级），适用于有相变（重沸、冷凝）传热和无振动的一般场合。较高级冷拔管（I 级）比普通级冷拔管（11 级）在外直径和壁厚尺寸上的偏差要求严格。这样管子与管板孔之间的间隙就比较均匀。由此可以保证管子与管板孔之间具有较好的连接质量。当换热器设计压力大于6 . 4MPa 或：介质中含易燃、易爆、有毒物质时，应选用质量要求较高的CB9948 石油裂化用无缝钢管 。这种标准的管子除外径、壁厚尺寸误差较小外，对管子的检验项目比GBS 163 标准要求的检验项目多。而且在表面质量和水压试验方面的要求也高于GBS 163 标准。在某些重要的使用场合，除了要求换热管供货厂按GB9948 标准供货外，还可要求制造厂按此标准对某些检验项目进行复验。 四、螺栓和螺母 法兰连接由一对法兰、若干个螺栓螺母和一个垫片组成。法兰在螺栓预紧力的作用下，把处于两法兰密封面之间的垫片压紧。使之变形并填满法兰密封面上的凹凸不平处，达到初始的密封。当设备操作升压时，介质压力所形成的轴向力使螺栓拉长，并力图将两个法兰拉开，降低密封面与垫片之间的压紧力。如果这时螺栓的压紧力降低到一定程度，容器内的介质就会由密封面间泄出，密封被破坏。为了保证在操作中不出现这种情况丁螺栓与法兰都必须具有足够大的强度和刚度，使之在操作状态下不发生过大的变形，以保证密封面与垫片之间仍具有足够的压紧力。所以螺栓用钢也有一些特殊的要求。 ( l ）螺栓用钢的使用状态及许用应力应符合GB150 有关材料章节的规定； ( 2 ）碳素钢螺栓一般按GB3098.1 一82 紧固件机械性能螺栓、螺钉和螺柱 选用，强度级别推荐如下：Q235A 钢螺栓选4 . 6 级；35 号钢螺栓选5 . 6 级； ( 3 ）螺栓和螺母应根据介质的情况和压力、温度等工况选取。为了使螺栓与螺母不易咬死和便于拆卸，且为了尽量保持螺栓的完好，而只更换损坏的螺母。螺栓的硬度一般要比螺母高3OHB 。 五、垫片 换热器的垫片与普通接管法兰用垫片不同，一是它的直径大都比接管法兰大的多，即密封周长较长。另一个是它由于结构上有分程隔板，所以它是一个或几个条形垫片与环形垫片相连接的组合垫片。制造难度比较大。此外，垫片的实际工作条件也比较复杂，要恰当地选择好垫片不太容易。一般地，在选择垫片时必须考虑以下几个问题： ( l ）使用温度：包括正常运行时的使用温度以及在特殊情况下可能出现的温度； ( 2 ）使用压力：包括正常工作时的压力、瞬时出现的最大压力、压力脉动幅度的大小以及是否周期性变化等等。此外，还应特别注意真空情况； ( 3 ）介质：应考虑介质的种类、化学性能（如腐蚀性能、氧化性能、是否有毒、是否污染大气等）、物理性能（密度、粘度、放射性等）。对于气体介质应坳口注意，因为气体的密封最为困难，特别是那些有毒气体、可燃或易燃气体和渗透性很强的气体（如：氨气）; ( 4 ）法兰型式：应考虑法兰的形状和尺寸、法兰的加工精度与密封面的粗糙度、压紧机构和压紧力、法兰与垫片的硬度差等； ( 5 ）密封结构处有无振动、热应力以及可能引起的变形等。 一台浮头式换热器除接管法兰垫片外，还有管箱垫片、管箱侧垫片、外头盖垫片和浮头垫片。直径一般较大，随所处部位不同，结构形状也各异，制造加工较复杂。因此机械部制定了专门的管壳式换热器用垫片标准，即JB / T4718 管壳式换热器用金属包垫片 、JB / T4719 管壳式换热器用缠绕垫片 和JB / T4720 管壳式换热器用非金属垫片 ，并由专门的厂家来制造这些垫片，这样做对提高换热器各部位的密封可靠性是有利的。下面对管壳式换热器用垫片标准作一简单介绍。 JB / T47 18 管壳式换热器用金属包垫片 标准规定了金属包垫片的结构形式、基本参数和技术要求。该标准适用于设计温度一20 一450 ，设计压力不大于6 . 4MPa 的钢制管壳式换热器。目前已有专门的厂家生产这种垫片。制造这种垫片的关键是选择质量好的薄金属板和大直径垫片板材的拼接技术以及多管程垫片上筋条与圆环相接处的圆滑过渡加工技术。JB / T47 19 管壳式换热器用缠绕垫片 标准规定了缠绕垫片的结构形式、基本参数和技术要求。该标准适用于设计温度一20 一450 ，设计压力不大于6 . 4MPa 的钢制管壳式换热器。值得引起注意的是，现场发现在设计温度小于200 ，设计压力不大于1 . 6MPa 时，采用缠绕垫片会出现垫片压不紧的现象。制造垫片的金属带和非金属填料的材料与压力容器或管道用的缠绕垫片相同。但结构上由于有换热器分程隔板而要设置分程筋条，增加了制造难度。另外，与缠绕垫片相配的法兰密封面不得加工有水线，否则介质极易沿水线和缠绕垫片的螺旋线向外泄漏。 JB / T4720 管壳式换热器用非金属垫片 标准规定了非金属垫片的结构形式、基本参数和技术要求。该标准适用于设计温度一20 一350 ，设计压力；不大于4 . OMPa 的钢制管壳式换热器。常用的非金属垫片材料为橡胶石棉板。但由于某些厂家的制造质量差，使得不少炼油厂不得不在一般场合下使用较高等级的垫片。如：采用XB 一500 级的橡胶石棉板。从使用情况看，原来常泄漏的部位有较大的改善。另外，由于石棉对人体健康有害，国外已禁止使用石棉制品做垫片。我国也开始使用一些石棉的替代材料来制造非金属垫片，如石墨等等。 金属膨胀石墨复合垫片适用温度为一200 一600 。适用工作压力为真空到25MPa 。特别是在压力和温度经常波动的工况下，更能显示它的优越性。六、其他零部件 1 管束附件 当换热管为碳钢，且壳体材质为碳钢时，折流板、滑道和防冲板的材料也可选用普通碳素钢板Q235 一A 制造。而当换热管材质为不锈钢时，折流板、滑道和防冲板的材料一般也应选用不锈钢。 2 鞍座 管壳式换热器的鞍座不同于一般的卧式容器，因为在安装管束或抽芯时，管束与壳体之间的摩擦力，传递到鞍座上，鞍座就要承担很大的水平拉力，这个拉力约为管束重量的巧，而这种水平拉力很容易对鞍座造成破坏。因此，一般换热器应选用重型并带有垫板的鞍座。重型鞍座的宽度要比一般鞍座宽，再加上与壳体相焊接的垫板，故能较好地抵抗抽芯时的水平拉力。当管束重量特别大时，还须对鞍座进行强度校核。鞍座垫板的材料应与与之相焊接的壳体材料相同，且与壳体的焊接为连续焊。但需在垫板最低点留出50mm 不焊作为排放气体用。当换热器的壳体有焊后热处理要求时，鞍座垫板则应在热处理之前就与壳体焊好。否则，焊接鞍座垫板时，将会破坏壳体已有的热处理状态。第四章 浮头式换热器、冷凝器和U 形管式 换热器标准系列基本参数和型号表示方法 在诸多类型的换热器中，炼油厂使用最多的是管壳式换热器中的浮头式换热器、冷凝器和U 形管式换热器。在我国，这三种冷换设备的型式与参数已由部颁标准JB / T4714 ( （浮头式换热器和冷凝器型式与基本参数 和JB / T47 17 U 型管式换热器型式与基本参数 加以规定，常用换热器的标准化和系列化，给设计选型、制造、配管、安装、检修、配件供应和设备更新都带来了极大的方便。下面将重点介绍管壳式换热器中的这三种冷换设备的基本参数和型号表示方法 机械部颁标准JB / T47 14 浮头式换热器和冷凝器型式与基本参数 ，JB / T47 17 U 形管式换热器型式与基本参数 是由中国石化北京设计院、洛阳石化工程公司和兰州石油化工机械研究所共同编制的。三家各自的施工图纸都严格按照该标准的要求绘制。有统一的外形尺寸、内部结构、材质和技术要求。具有很好的互换性。浮头式换热器、冷凝器和U 形管式换热器标准系列的型号符合GB151 钢制管壳式换热器 标准。 第五章 管壳式换热器常见故障及处理方法 换热器连接法兰处泄漏往往是换热器不得不中途停止运行，甚至迫使装置停工。原因是（1）换热器操作不稳定，温度、压力波动引起； （2）螺栓紧固力不均匀或螺栓应力松弛； （3）密封垫片损坏、偏斜； （4）法兰密封面偏代码斜、有划痕或被损坏； （5）管线安装有偏差，强行连接； （6）垫片选择不适当。 处理方法：（1）要保证温度、压力稳定，绝不能超温、超压运行。（2）检查法兰密封面，如有划痕、裂纹、变形等需更换法兰或研磨密封面。（3）检查法兰安装情况，如发现倾斜，则需调整管线，重新安装法兰。（4）按受力对称的螺栓点位均匀坚固螺栓。如螺栓预紧力要求较高，可分三次紧固：第一次紧固力为60%、第二次为80%、第三次为100%。必要时再进行一次“热紧”。 由于换热器管的内外表面受到腐蚀介质长期作用，致使换热管穿也或开裂，焊接接头因振动使原有微小缺陷扩展面产生裂纹，造成整个管束损坏。 其产生的破坏类型有： 碰撞破坏、折流板处换热管被切开、换热管与管板的连接处的破坏、材料缺陷扩展的失效。 结垢引有效换热面积减少，增加热阻、增大压降、换热效率下降。 如操作条件不当或介质改变，可使换热器系统的温度、压力、介质的特性或流速等超出设计范围，可导致管束失效。维修不当，也可导致管束失效。如在堵管是，管塞打得过紧使周围的胀接接头变松，或使焊接接头焊缝开裂。管束失效的处理方法 1、堵管 2、更换换热管 主要步骤： 拔管、穿管、胀接、焊接。 3、更换管束。第六章 管壳式换热器常规检修程序及注意事项以浮头管壳式换热器为例：其检修顺序如下： 停气吹扫、准备工具-拆外浮头盖、管箱及法兰-拆小浮头-抽管束-外观检查和无损检验、清扫。 准备垫片、盲板及试压胎具-安装管束-安装管箱，安装试压胎具及试压法兰，壳体接管法兰加盲板-向壳程注水，装配试压管线-试压（A ）检查管口及换热管-拆试压用浮头，安装小浮头及盲板盖。 管箱接管法兰加盲板-向管程注水，装配试压管线-试压（B ）检查小浮头垫片及管束-安装外头盖-向壳程注水-试压（c ）检查壳体密封-拆除盲板，填写检修卡片。其中：试压（A ) ：检查换热管是否有破裂，胀口是否有渗漏。如换热管有破裂，泄压后可用锥度为3一5 的金属柱塞堵住，或更换换热管。同一管程内，堵死的换热管一般不应超过换热管总数的10 % ，如工艺计算结果允许，这一比例可以适当增加。如管口渗漏，卸压后可进行补胀或补焊，但补胀（焊）次数最多不超过三次，否则需更换换热管。将缺陷处理后，重新试压，直到合格为止。 试压（B ) ：检查安装质量，主要是检查小浮头垫片及管束。如发现垫片有渗漏，应分析原因。 试压（C ) ：整体试压，检查大法兰的安装质量。用试压法检查 l ）浮头式管壳式换热器的试压 ( l ）初步检查试压法。此法比较简便，对于换热器渗漏很小，或检查换热器是否有渗漏，可用此法。其具体步骤如下： 拆卸外头盖，打开管箱端出人口上法兰，以下法兰口做试压进口，接通试压泵进水管、向管程注水，水满后将上法兰盲死幼开始升压，检查浮头处渗漏情况。 此法只适用于初步检查，对介质比较干净，腐蚀不严重的换热器，利用此法可检查小浮头的密封情况，经验表明此类换热器管束的其他部位不易出问题，只是浮头垫片易漏。但对易渗漏的换热器不能用此法检查。 ( 2 ）试压用浮头试压法。此法不用抽管束，而用一试压法兰把管板与壳体夹持密封，通过壳程加压，可检查管束是否渗漏。并可做到一次试压即可检查渗漏情况，不需反复拆卸浮头。如管束及壳体内需进行清扫时，则应先抽出管束清扫后再进行试压。试压步骤如下：拆卸外头盖和管箱井安装带有填料密封的试压胎具劝安装试压法兰在管箱侧与壳体大法兰夹持管板劝向壳程注水升压，检查两块管板处胀口有无渗漏及松动。 2 ）固定管板式换热器的试压固定管板式换热器的试压比较简单，将两端头盖拆卸下来，向壳程内注水升压，即可检查管束胀口处有无渗漏。3 清洗 换热器在选型上对换热面积的富裕量和泵的能力均有所考虑。但由于设备结构造成的流通方向变化，流道截面改变，流体介质的流态物性改变，机械杂质含量的变化以及腐蚀的危害等，均会造成换热器管程不同程度的堵塞，壳程死角区域的增加。尤其在壳程，由于流道骤变形成涡流，使得沉积物大量聚积并结垢。冷换设备污垢基本形式有： ( l ）碳氢凝聚物沉积。在高温下，油品、有机介质、催化剂颗粒连同其它杂质等凝聚、附着、沉积在管壁上。 ( 2 ）无机盐类的沉积。主要包括水垢和腐蚀产物等。 ( 3 ）生物污垢粘附。主要由菌藻大量繁殖所致。所有污垢粘附都会使换热器热阻增加，传热效率下降。由于换热设备结垢的产生，导致许多能源的浪费和生产问题，主要表现在： ( l ）污垢的存在，致使换热器传热阻力增加，传热量减少，使换热器的传热效率降低或能耗增加。 ( 2 ）污垢的存在减少了流体的流通面积，导致输送动力增加。 ( 3 ）污垢的存在造成传热量降低，导致达不到工艺生产要求，有时甚至会导致非计划停工。 ( 4 ）增大检修的清洗工作量，延长设备检修时间。 ( 5 ）污垢的存在，可能引起换热管的垢下腐蚀穿孔，直接威胁到生产的正常运行。一般地说，换热器的初始结垢速率往往很慢，一旦形成膜阻，将以数十倍的速率加速结垢。因此，要保证冷换设备长周期运行，重要的一条举措就是在装置检修时，采用高效清垢法，最大限度地恢复设备的初始状态，以达到工艺要求。国内目前清洗冷换设备的方法主要有四种： l ）人工清洗 通常是用长金属杆将管内积聚物疏通。这种方法效率低，劳动强度大。且只能起到打通管孔的作用，不能将紧贴附于管壁的垢层清除。用这种方法清洗管束时，应谨慎进行，注意不要因敲打管子而造成管子胀接处的松脱、开裂或损坏。 2 ）机械清洗法一般采用中、低压水力清垢，水压力7 一12MPa ，清洗过程仅能保证管板两端清洗效果明显，不能根除整段换热管内壁垢层，对于清洗一般难度的介质和常规冷换设备，清洗后尚可维持其运行效率。 3 ）化学清洗 采用化学介质浸泡并中和分离非金属及金属氧化物积垢。该法工艺复杂，要敷设连通管线和加药系统，施工时间长，成本较高，且清洗酸液本身就是对设备的一种腐蚀介质，尤其是残存在固定管板换热器壳程中的酸液，其微电池作用更将加剧对钢材表面的电化学腐蚀。对18 一8 等不锈钢表面钝化膜的损坏也是很大的。其废液的排放又给环保和污水处理造成困难。一般地，清洗完毕后，应立即排放清洗液，并用一定量的石灰或烧碱中和处理，然后用清水冲洗直到pH 值与所在地水源的PH 值相等时，才可结束水洗过程。水洗一般需要二小时或更长。4 ）超高压水射流清洗用超高压水泵喷出的压力达10 一20MPa 的高压水，冲击管束进行清洗。一般有较好的效果，适用于管外清洗。但需要专用设备和专业施工队伍。此外，对于超高压清洗设备的各部件、连接件和密封可靠性要求都很高。且全套超高压清洗设备造价格高。目前，国内的这项技术还有待发展和完善。第七章 强化管壳式换热器传热的途径 所谓强化传热，就是指提高换热器的传热速率Q 。从传热基本方程式7 一1 一l 可以看出：Q = K A tm ( 7 一1 一l ) 增大传热系数K 、传热面积A 或和平均温度差 tm ，均可使传热速率Q 提高。因此，工业设计和生产实践中大都从这三方面考虑强化措施。一、增大传热面积A 对于间接式换热器来说，增大设备或在既定的换热器上增加传热面积，都是不现实的。因此，就必须从改进传热面结构，设法提高单位容积内设备的传热面积来实现强化传热。采用各种异形管，如螺纹管、波纹管，或者采用翅片管换热器、板翅式换热器以及各种板式换热器等，都可以增大设备单位容积的传热面积，同时还能起到增加流体湍流程度的效果。二、增大平均温度差tm tm是传热过程的推动力。tm 越大，则传热速率Q 越大。tm的大小，主要取决于加大冷、热介质的无相变的温差。但两种流体的温度条件一般已为生产条件所决定，因此可能变动的范围是有限的。在参加换热的两种流体均匀变温的情况下，采用逆流可得到较大的tm值。三、增大传热系数K ( 1 ) K 值主要与两流体的流动情况、污垢层热阻及管壁热阻等有关。 ( 2 ）增加流体的流速或改变流动方向，以增加流体的湍流程度，减小边界层的厚度，可以提高无相态变化流体的传热系数K 值。例如增加管壳式换热器的管程数或壳程中的挡板数，均可使流体流速增大。此外将板式换热器的板片表面制出各种凸凹不平的沟槽，也可使流过沟槽面的流体增大湍流程度，或者使流体以旋涡流方式进人管内，也是增强湍流的一种办法。 ( 3 ）减小污垢层热阻，可以提高传热系数K 值。污垢层虽薄，但热阻很大，若设法防止污垢层的形成或者根据换热器的工作条件定期进行清洗，即可以减小污垢层热阻，从而提高传热系数K 值。另外，采用有相态变化的热载体，亦可提高传热系数X 值。第八章 管壳式换热器常用防腐方法及原理一、金属腐蚀机理 金属腐蚀是指在周围介质的化学或电化学作用下，并且经常是在和物理、机械或生物学因素的共同作用下金属产生的破坏。根据腐蚀过程进行的历程，一般可将金属腐蚀分为两类，即化学腐蚀和电化学腐蚀。 （一）化学腐蚀 金属在干燥的气体和非电解质溶液中发生化学作用所引起的腐蚀叫作化学腐蚀。如果化学腐蚀所产生的化合物很稳定，即不易挥发和溶解，且组织致密，与金属结合牢固，那么这层腐蚀产物附着在金属表面上，对金属母体可以起到保护作用，有钝化腐蚀作用，称为钝化作用。 如果化学腐蚀所产生的化合物很不稳定，即易挥发或溶解，与金属结合不牢固，则腐蚀产物就会一层层脱落（氧化皮即属此类），这种腐蚀产物不能保护金属不再继续受到腐蚀，这种作用称为“活化作用”。化学腐蚀分为：金属的高温氧化及脱碳和氢腐蚀。 ( l ）金属的高温氧化及脱碳 在石油化工生产中，有很多机器、设备是在高温下操作的，如氨合成塔、硫酸氧化炉、石油裂解炉等。金属的高温氧化及脱碳是一种在高温下的气体腐蚀之一。一般当钢材和铸铁的温度高于300 时，在其表面就会出现可见的氧化皮。随着温度的升高，其氧化的速度也大大的提高。 在570 以下氧化时，氧化所形成的氧化物中不含Fe O，其氧化层是由Fe203 和Fe304构成。这两种氧化物所构成的氧化层组织致密、稳定，附着在钢材表面上不易脱落，起到了保护膜的作用。在570 以上时，钢材表面所形成的氧化物有三种，即Fe203 、Fe304和FeO，氧化层的主要成分是FeO，其结构疏松，容易剥落，这就是常见的氧化皮。 因此，为了提高钢材的高温抗氧化能力，必须设法阻止或减弱钢材表面FeO 的形成。在冶金工业中，通过在钢里加人适量的合金元素如铬、硅或铝，可以使钢材具有抗氧化的能力。 当温度高于700 时，钢材在氧化的同时，还发生了脱碳作用。 ( 2 ）氢腐蚀 在合成氨工业、石油加氢裂解及其他一些化工工艺中，常遇到氢在反应介质中占有很大比例的混合气体，而且这些化学反应过程又多是在高温、高压下进行的，例如合成氨的压力通常在31. 4MPa ，温度一般在470 一500 左右。 在较低温度和压力（温度200 ，压力4 .9MPa ）下，氢气对普通碳钢及低合金钢不会有明显的腐蚀作用。但是，在高温高压下则会对它们产生腐蚀，结果使材料的机械强度和塑性显著下降，甚至损坏，这种现象常称为“红腐蚀”或“氢脆”。铁碳合金在高温高压下的氢腐蚀过程可分为氢脆阶段和氢侵蚀阶段。 第一阶段为氢脆阶段。在该阶段，氢在与钢材直接接触时被钢材所吸附，并以原子状态向钢材内部扩散，溶解在铁素体中，形成固溶体。但是，在此阶段溶在钢中的氢并未与钢材发生化学作用，也未改变钢材的组织，在显微镜下观察不到裂纹，钢材的强度极限和屈服极限也无大改变。但是它使钢材塑性降低，冲击韧性值明显减少。钢材的这种脆性与氢在其中的溶解量成正比。材料处于氢脆阶段只要将材料进行消氢处理，其性能又可恢复为原来状态。 第二阶段为氢侵蚀阶段。这时，溶解在钢材中的氢气与钢中的渗碳体发生化学反应，生成甲烷气，从而改变了钢材的组织. 该化学反应常常在晶界处发生，生成的甲烷气也通常聚集在晶界原有的微观孔隙内，形成局部高压，引起应力集中，使得晶界变宽，从而产生更大的裂纹；或者在钢材表层夹杂等缺陷处聚集，形成气泡，使钢材的机械性能降低。另一方面，由于渗碳体在还原为铁素体时，其体积也将减小，因此，在钢材内部由于组织的体积变化而产生相应的组织应力，该应力与前述的内应力叠加在一起，将使得裂纹扩展。而裂纹的扩展又为氢和碳的扩散与反应提供了更加有利的条件。如此反复不断地进行下去，最后导致钢材完全脱碳，内部的裂纹形成网格，机械性能严重下降，甚至遭到破坏。 因为高压有利于氢气在钢中的溶解，而高温则增加了氢在钢的组织中的扩散速度及脱碳反应的速度，因此，铁碳合金的氢腐蚀随着压力和温度的升高而加剧。通常铁碳合金产生氢腐蚀都有一个起始温度和起始压力，它是衡量钢材抵抗氢腐蚀能力的一个指标。 通过降低钢中的含碳量，使其没有碳化物（Fe3C ）析出，可以有效地防止氢腐蚀的发生。另外，在钢中加人某些合金元素如铬、钥、钦、钨、钒等，与钢材组织中的碳元素形成稳定的碳化物，使其不易与氢作用，也可以避免氢腐蚀的发生。（二）电化学腐蚀 电化学腐蚀是指金属与电解质溶液间产生电化学作用而引起的破坏，其特点是在腐蚀过程中有电流产生。在水分子作用下，电解质溶液中金属本身呈离子化，当金属离子与水分子的结合能力大于金属离子与其电子的结合力时，上部分金属离子就从金属表面跑到电解液中，形成了电化学腐蚀。 可以看出，电化学腐蚀进行的过程必须具备下列三个条件： 性同一金属上有不同电位的部分存在或不同金属之间存在着电位差； 阴极和阳极相互连接； 阳极和阴极处在互相联通的电解质溶液中。 换热器腐蚀破坏的类型几乎包括了所有常见的主要腐蚀破坏型式，其中包括均匀腐蚀、接触腐蚀、选择性腐蚀、孔蚀、缝隙腐蚀、冲刷腐蚀、晶间腐蚀和应力腐蚀破裂等。 均匀腐蚀 在整个暴露于介质的表面上，或者在较大的面积上产生的，宏观上均匀的腐蚀破坏叫均匀腐蚀。产生均匀腐蚀的金属，厚度逐渐减薄，最后破坏。从工程的角度看，它并不是残留很大的腐蚀型式，设备的使用寿命可以根据简单的腐蚀试验进行估算。 接触腐蚀 两种电位不同的金属或合金互相接触（或其他任何方式的电连接），并浸于电解