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1、浮头式换热器失效分析及其优化摘 要:管壳式换热器是广泛应用于各个领域的工业设备,在国民经济中具有非常重要的作用, 浮头式换热器是管壳式换热器的一种，由于浮头式换热器管束可以抽出来，清洗方便，管束在使用过程中由温差膨胀而不受壳体约束，不会产生温差应力等优点，它的应用范围较广，其质量的好坏直接影响到石油化工企业的安全和经济效益，造成物料浪费和环境的污染，本文主要从最基础的设计，制造安装，操作使用等级环节查找浮头式换热器故障的基本原因。并且效率问题是设计工作的核 心，利用优化设计原理,建立了以浮头式换热器优化设计模型，分析影响年总费用 的因素,并提出优化方案。关键词:浮头式换热器;失效分析;换热器是

2、石油化工、化学工业、能源工业等生产领域中应用很广泛的热量交换设备,尤其在炼油企业中,换热器更是其龙头装置- 常减压装置的关键设备之一,它能否安全、连续、有效地运行,直接影响本装置及后续装置的正常生产和经济效益。据石油化工设备损坏的统计资料,在各类设备损坏的百分比中,换热器占的比例最高,为27. 2% ,远远高于占第2位的塔、槽等设备总损坏的比例(17. 2% ) 。由于浮头式换热器管束可以抽出来,清洗方便,管束在使用过程中温差膨胀而不受壳体约束,不会产生温差应力等优点,广泛应用于石油、石化、制药、食品等行业,由于管程内外介质压力的不同、介质的腐蚀、冲刷、温度、焊接缺陷以及密封材料的损坏,使得换

3、热器故障不断,影响着生产装置的正常运行和工厂的经济效益,造成了物料的浪费和环境的污染,已成为生产中不可忽视的问题。1概述浮头式换热器是由管箱、壳体、管束、浮头盖、外头盖等零部件组成。其优点是:管束可以抽出,以方便清洗管、壳程; 介质间温差不受限制;可在高温、高压下工作,一般温度小于等于4500,压力小于等于6. 4 MPa;可用于结垢比较严重的场合;可用于管程易腐蚀场合。缺点是: 小浮头易发生泄漏:金属材料耗量大,成本要高出20%;结构复杂。浮头式换热器的一端管板固定在壳体与管箱之间,另一端管板可以在壳体内自由移动,这种换热器壳体和管束的热膨胀是自由的,管束可以抽出,便于清洗管间和管内。浮头式

4、换热器适用于壳体和管束温差较大或壳程介质易结垢的条件。这类换热器壳体和管束对热膨胀是自由的,故当两种介质温差较大时,管束与壳体之间不产生温差应力。浮头端设计成可拆结构(也有设计成不可拆的) ,使管束很容易地插入或抽出,这样为检修、清洗提供了方便。浮头式换热器腐蚀泄漏是主要的故障问题。第一,浮头式换热器适用于管壳壁间温差较大的场合。因此,管程内外介质压力的不同,温差热应力较大均会使管板承受较大的轴向载荷,产生弯曲变形,破坏狭窄的密封面,造成介质的泄漏。第二,由于浮头式换热器清洗方便,它还适用于易于腐蚀和易于结垢的场合,因此介质的腐蚀、冲刷,使壳程管壁、管束管壁减薄、出现腐蚀坑,增加泄漏,降低设备

5、寿命。并且,管束和壳体的间隙较大,故有害旁流较严重,从而增加管束的振动,使得壳程管壁、管束管壁减薄,增加泄漏。第三,由于浮头式换热器结构较复杂,而且浮头端小盖在操作时无法知道泄漏情况,所以在安装时要特别注意密封。第四,由于这类换热器结构复杂、笨重、材料耗量最大。加工制造如再遇上材料选择与工艺要求不符,加工制造中的焊接缺陷等,这些均会使得设备密封性能降低,加速腐蚀泄漏。第五,操作过猛过快等不稳定操作,补充介质不及时等都会加剧管束振动,导致泄漏。2失效分析失效分析在生产发展和技术进步中有重要作用。通过失效分析,可以判明或预测发生失效、事故的原因,找出防范事故、提高产品质量与可靠性的措施,避免同类事

6、故的再次发生,保障生产安全及人民生命财产安全,推动科技和社会进步。浮头式换热器的失效分析。主要是: (1)疲劳分析:压力的交变引起突变的机械应力,温度的交变在某些情况下会引起交变的温差应力; (2)腐蚀失效分析:换热器的腐蚀失效是指和介质接触的器壁受到腐蚀介质的侵蚀而产生破坏。对重大或恶性失效事件的失效分析常用的分析思路主要有残骸分析法、统计分析法和系统分析法等。残骸分析法是失效分析工作者常用的方法之一,而统计分析法和系统分析法则常被管理专家和安全工程工作者所采用。残骸分析法最主要的关键技术是寻找首先破坏件、断裂源的位置,诊断失效模式,分析断裂原因和影响因素,以及失效事故的综合分析等。断裂模式

7、的诊断主要从变形情况、碎片情况、材质情况、应力情况、环境情况和断口裂纹的特征等方面入手。归纳起来,引起失效的原因主要有: 设计原因:结构不合理,工作压力太大;材质原因:性能不合格,缺陷超标; 制造原因:工艺不合理,尺寸不合格,表面质量差,残余应力过大; 使用原因:违章操作,工作参数控制不当,环境作用和影响; 设备或材料老化:“老化”、“退化”和超期服役。 在失效分析中不可只针对上述其中任一项做分析研究诊断。综合分析的要点是: 收集所有的现象、特征和实验数据,进行归纳、筛选,去伪存真和由表及里。采用“排除法”或“求证法”,逐渐缩小“怀疑”圈,必要时还要做若干补充实验。根据初步的分析结论、失效的模

8、拟试验、加速试验或工程试验,进一步得到证实,并对预防或补救方法也有所设想。对存疑的问题进行进一步的分析和在失效机理上做进一步的研究,并得出公正的、准确地和科学的结论。2. 1残骸分析法残骸分析法是从物理、化学的角度对失效零件进行分析的方法。如果认为零件的失效是由于零件广义的“失效抗力”小于广义的“应力”的缘故,而“应力”则与零件的服役条件有关,因此,失效残骸分析法总是以服役条件、断口特征和失效的抗力指标为线索的。零件的服役条件大致可以划分为静载荷、动载荷和环境“载荷”。以服役条件为线索就是要找到零件的服役条件与失效模式和失效原因之间的内在联系。但是,实践表明,同一服役条件下,可能产生不同的失效

9、模式;同样,同一种失效模式,也可能在不同的服役条件下产生,因此,以服役条件为线索进行失效残骸的失效分析,只是一种初步的“入门”方法,它只能起到缩小分析范围的作用。断口是断裂失效分析重要的证据,它是残骸分析中断裂信息的重要来源之一。但是在一般情况下,断口分析必须辅以残骸失效抗力的分析,才能对断裂的原因下确切的结论。以失效抗力指标为线索的失效分析思路,关键是在搞清楚零件服役条件的基础上,通过残骸的断口分析和其它理化分析,找到造成失效的主要失效抗力指标,并进一步研究这一主要失效抗力指标与材料成分、组织和状态的关系。通过材料工艺变革,提高这一主要的失效抗力指标,最后进行机械的台架模拟试验或直接进行使用

10、考验,达到预防失效的目的。2. 2金相分析法金相分析是研究金属及其合金内部组织及缺陷的主要方法之一,利用金相显微镜在专门制备的试样上放大100 - 1500倍来研究金属及合金组织的方法称为金相显微分析法,它是研究金属材料微观结构最基本的一种实验技术。显微分析可以研究金属及合金的组织与其化学成分的关系;可以确定各类合金材料经过不同的加工及热处理后的显微组织;可以判别金属材料的质量优劣,如各种非金属夹杂物一一氧化物、硫化物等在组织中的数量及分布情况以及金属晶粒度的大小等。由于金相显微分析常常带有主观性,重现性、精确性不高,图像分析仪以先进的电子光学和电子计算机技术代替人眼观察和统计计算,可以迅速而

11、准确地进行有统计意义的测定及数据处理,一致性好,精度高,而且大大提高了工作效率。因此目前主要借助图像分析仪已成为金相组织分析中不可缺少的手段。3故障分析浮头式换热器在使用过程中,会出现各种故障,如管箱内泄漏、管束及其连接处泄漏、法兰泄漏、腐蚀泄漏、堵塞等。建国以来化工系统所发生的重大泄漏事故案例,大部分是由于密封失效、密封件设计或安装不合理造成的。1)浮头式换热器管箱内泄漏:主要是管板与隔板间连接不紧密、管程与管箱盖板之间密封泄漏、隔板与壳体连接处泄漏。2)浮头式换热器管束泄漏:换热器中部件失效约70%为换热管,而换热管失效大多是两种原因导致的。第一,管束振动导致管子变薄,磨损失效;第二,由于

12、污垢沉积,有害离子浓缩而导致管壁腐蚀穿孔。3)浮头式换热器法兰密封面泄漏:法兰泄漏与垫片残余压紧应力、垫片内外侧压差、密封宽度,螺栓预紧力等因素有直接联系。因此采用合适的密封结构、合理的垫片形式及垫片材质是解决浮头、管箱泄漏的关键。4)浮头式换热器内堵塞:据调查90%以上的换热器都存在不同程度的结垢问题。结垢问题导致传热性能变差,使传热效率下降,其下降幅度平均可达30%以上,增加设备运行成本;结垢问题还会增加清洗的成本;还会引发设备垢下腐蚀。造成换热器结垢堵塞的常见原因有三种:一是外来杂质引起的堵塞,如泥沙、上游冲来的垢物和腐蚀物;二是本身腐蚀物堆积所致;三是介质中的微生物结垢堆积,及介质本身

13、形成水垢。3浮头式换热器的优化3.1目标函数对于以水为冷却介质的管壳式冷却器,进口水温一定时,由传热学的基本原理分析可知,冷却水的出口费用将影响传热温差,从而影响换热器的传热面积和投资费用。若冷却水出口温度较低,所需的传热面积可以较小,即换热器的投资费用减少;但此时的冷却水的用量则较大,所需的操作费用增加,所以存在使设备费用和操作费用之和为最小的最优冷却水出口温度。设换热器的年固定费用: FA = KFCAA (1)式中FA 换热器的年固定费用,元; KF 换热器的年折旧率, 1 /y; CA 换热器单位传热面积的投资费用,元/m2 ; A 换热器的传热面积,m2。换热器的年操作费用 FB =

14、Cu WuHy/1000 (2)式中FB 换热器的年操作费用,元; Cu 单位质量冷却水费用,元/吨; Wu 换热器冷却水用量, kg/h; Hy 换热器每年运行时间, h。因此换热器的年总费用即目标函数: F = FA + FB = KFCAA +Cu WuHy/1000 (3)3.2A与Wu 的数学模型热平衡方程换热器的热负荷为: Q =GcPi ( T1 - T2 ) (4)式中Q换热器的热负荷, kJ /h; G换热器热介质处理量, kg/h; cpi 热流体介质比热容, kJ / ( kg) ; T1、T2 热流体的进出口温度, 。当换热器操作采用逆流换热时,则热平衡方程为: Q =

15、Wucpw ( t2 - t1 ) =GcPi ( T1 - T2 ) = KAtm (5)式中cpw 冷却水比热容, kJ / ( kg) ;t1、t2 冷却水的进出口温度, ;tm 对数平均温度差, 。tm = ( T1 - t2 ) - ( T2 - t1 )/In(T1 - t2)/(T2 - t1) (6)由此可得Wu =Q/cpw ( t2 - t1 ) (7)A = Q/Ktm (8)K总传热系数, (m2 h) 。将(4)和(6)代入(7)和(8) ,然后再代入(3) ,得 (9)一般来说,对于设计的换热器, G、T1、T2、t1 及Hy 均为定值;水的比热容cpw和热介质的比

16、热容cpi变化不大,可取为常数; Cu、CA、FA 可由有关资料查得;总传热系数K通常也可由经验确定,所以换热器的年总费用F仅是冷却水出口温度t2 的函数。当F取最小值时,相应的t2 既为最优冷却水出口温度,进而可由式(7)、(8)得到所需的冷却水量和最优的传热面积。本文通过对浮头式换热器失效的分析,总结出失效的原因，并明确给出分析的方法，将会在实际运用中起到一定的作用，并通过对换热器优化的分析，导出了管壳式换热器以年度总费用为目标函数的优化设计公式。可以看出,优化设计作为一种现代设计方法,理论上科学、严格,其合理地应用于管壳式换热器的设计必将推动传统设计观念的进步,其计算结果可作为管壳式换热器机械设计的重要参数。参考文献1秦叔经,