换热器失效的原因及常见故障分析

换热器失效的原因及常见故障分析摘要换热器的种类很多，操作方法大同小异，它们的共同点是利用两种物料间大量的接触面积进行热交换，以完成冷却、冷凝、加热和蒸发等化工过程。而换热器的操作条件、换热介质的性质、腐蚀速度和运行周期决定了换热器操作维护的内容。现以广泛使用的板式换热器为例，讨论其失效原因及常见故障。关键词换热器；失效原因；故障分析1换热设备劣化和失效的主要形式及原因造成换热设备劣化和失效的主要形式及原因有以下几个方面：1.1腐蚀换热设备管束受到的腐蚀取决于管束内外侧介质的化学组分、浓度、压力、流速以及管束本身的材质性能。1）介质引起的均匀腐蚀。①硫及硫化物引起的均匀腐蚀。硫及硫化物导致金属表面直接形成一层金属疏化物。这种硫化物较厚而疏松对金属表面不能起保护作用。因此，这种腐蚀是以一定的速率使管壁减薄。②盐酸产生的均匀腐蚀。介质中所含的氯化物遇到水时，形成盐水，加热到150-200°C以上时生成盐酸，有十分强烈的腐蚀作用，是一种“低温腐蚀”，主要发生在有冷凝产生的部位。腐蚀的形态是均匀腐蚀，也可能随冷凝液的流向产生沟状腐蚀。③其他强腐蚀性介质，如尿素甲胺液、硫酸、醋酸等也会引起管束的均匀腐蚀。2）应力腐蚀开裂。化工装置的换热设备常出现的应力腐蚀主要有两种：一种是奥氏体不锈钢管，由氯离子引起的应力腐蚀；另一种是铜管在氨环境下的应力腐蚀。3）冷却水引起的各种腐蚀。水冷却器占了换热设备中相当大的比例，在水冷却器的水侧，会产生各种形态的腐蚀。①磨蚀与冲蚀。冷却水流速高，并带有泥砂之类的固体顾粒，则在流速高，水冲击严重的局部部位易发生这种腐蚀。②气烛。当设计不合理，或实际的运行工况与设计工况不一致，引起水测局部管束的表面发生水的汽化时，容易在水测的管外壁发生气蚀。③结垢引起的坑蚀。冷却水流速过低，水质不好、水中含油污、泥垢、pH值过高，以及水中的菌藻等，都能使管束表面产生沉积物的堆积，并使沉积物覆盖下的管子金属的表面氧化膜因缺氧而破坏。④pH值过低，使管束产生电化学均匀腐蚀。在对冷却器的水侧进行化学清洗或正常运行时，若水质空置不好，使水侧的PH值过低，易使碳钢管束产生电化学均匀腐蚀。4）其他形式的腐蚀。换热器中还可能出现其他形式的破坏，如管子与管板间的缝隙腐蚀，脱碳、碱脆、氢侵蚀、等等。1.2机械及热应力损伤换热设备会在使用中受到各种不同类型的机械损伤。1）管子与管板胀接处发生松动。当胀接的管端与管板间的温差超过设计值时，会影响管子与管板的结合力。管子突然降温时，会因为胀接处的管子外径收缩而发生泄漏；管子温度比管板温度高得太多时，胀接处的管子会因此而发生塑性变形，当管子温度降至正常时，已塑性变形的管子由于外径已减少，同样会在管子与管板的胀接处发生泄漏。2）管子与管板大的温差引起焊缝开裂、胀接松脱两端为固定式管板的换热器，当管子与壳体的温差大于设计值时，管壳之间的热膨胀量的差太大，在管子与管板的连接处产生较大的附加应力，使焊缝开裂或胀接处松脱，结果在连接处发生泄漏。有时，从整体上看管程和壳程两测介质的温差符合设计要求，但由于个别管子结垢、堵死等原因，使个别、局部的管子与个体及周围其他管子的温差过大，同样会使连接处出现开裂、松脱而失效。这种损伤形式，不仅对两端固定管板的换热器会发生．对浮头式换热器的管束也同样会存在：温差越大，管束越长，管束从壳体的刚性越大，这种损坏越易产生。3）化学清洗及机械清理引起的损伤。换热器在停工期间进行的机械或人工清除垢层时，常常会使管束受到包括表面刮伤、压、弯等损伤。过度的喷砂或化学清洗也会减簿管子的有效壁厚。4）扳动产生的疲劳损伤。与换热器相连的转动机械，如泵、压缩机等设备的振动，介质的流动及介质压力的脉动，都会引起管束的振动。过度的管束振动会使管子受到疲劳损伤，其结果是产生疲劳开裂或腐蚀疲劳开裂。这种因管束振动而产生的疲劳裂纹一般都是环向裂纹。环向裂纹一般出现在管子的中间。2原因分析及处理方法2.1外漏1）产生原因。①夹紧尺寸不到位、各处尺寸不均匀（各处尺寸偏差不应大于3mm）或夹紧螺栓松动。②部分密封垫脱离密封槽，密封垫主密封面有脏物，密封垫损坏或垫片老化。③板片发生变形，组装错位引起跑垫。④在板片密封槽部位或二道密封区域有裂纹。实例：北京、青海和新疆等地的多个热力站均采用饱和蒸汽作为一次侧热源供暖，由于蒸汽温度较高，在设备运行初期系统不稳定的情况下，橡胶密封垫在高温下失效，引起蒸汽外漏。2）处理方法。①在无压状态，按制造厂提供的夹紧尺寸重新夹紧设备，尺寸应均匀一致，压紧尺寸的偏差应不大于土0.2N（mm）（N为板片总数），两压紧板间的平行度应保持在2mm以内。②在外漏部位上做好标记，然后换热器解体逐一排查解决，重新装配或更换垫片和板片。③将开换热器解体，对板片变形部位进行修理或者更换板片。在没有板片备件时可将变形部位板片暂时拆除后重新组装使用。④重新组装拆开的板片时，应清洁板面，防止污物粘附着于垫片密封面。2.2串液1）产生原因。①由于板材选择不当导致板片腐蚀产生裂纹或穿孔。②操作条件不符合设计要求。③板片冷冲压成型后的残余应力和装配中夹紧尺寸过小造成应力腐蚀。④板片泄漏槽处有轻微渗漏，造成介质中有害物质（如C1）浓缩腐蚀板片，形成串液。实例：某铝业有限公司硫酸系统中1台板片材料为254SMo的BR03板式换热器，在运行5个月后出现冷却水侧碳钢接管腐蚀泄漏，酸液泄漏到了冷却水侧。检查发现板片酸液进口处和导流区域有严重的腐蚀及开裂现象。现场分析发现，系统运行温度、流量和浓度等工艺参数均超出设计条件，使用温度远超出材料的适用范围。采用饱和蒸汽作为一次侧热源的板式换热器在运行过程中容易发生板片腐蚀，导致产品串液。这是由于蒸汽温度较高，设备运行中很容易造成橡胶密封垫在高温下失效，引起蒸汽外漏并在二道密封区域急速冷凝。随着外漏的不断进行，冷凝残液越聚越多，局部形成cl质量浓度较高区域，达到破坏板片表面钝化层的腐蚀条件。同时，由于此区域板片冷冲压形成的内部应力较大，在表面钝化层被破坏的情况下，内部应力作用导致应力腐蚀的发生。几种常用板片材料耐Cl腐蚀的能力2）处理方法。①