管壳式换热器故障与检修

2019-12-28刘金丽苏显勇

煤炭加工与综合利用 2019年6期

关键词：管板管束污垢

刘金丽，苏显勇

(兖矿煤化工程有限公司，山东邹城 273500)

在化工生产中，换热器是非常重要的一种设备，其中管壳式换热器因其结构比较简单，操作可靠，能在高温、高压下使用，材料范围较广，在化工生产装置中得到了广泛的使用。

1 管壳式换热器的特点

管壳式换热器又称列管式换热器，是目前生产中最为广泛使用一种换热设备。管壳式换热器常用的型式有固定管板式、浮头式和“U”型管式。

1.1 固定管板式换热器

固定管板式换热器主要由外壳、管板、管束、封头等部件组成。壳体中设置有管束，管束的两端采用焊接、胀接或胀焊。固定管板式换热器结构简单、造价低，管程清洗检修方便，但壳程清洗较困难，管壳之间存在温差应力。当管程中换热管与壳体存在较大温差时，壳体上还应增设膨胀节来降低应力。固定管板式换热器适用于壳程介质较清洁、结垢少、温差小和壳程压力较低的场合。

1.2 浮头式换热器

浮头式换热器主要由壳体、换热管束、浮头、外接管、连接件、膨胀节等组成，其一端管板固定在壳体与管箱之间，另一端可以在壳体内自由移动，即壳体和管束热膨胀时可自由调节，故管束和壳体之间没有温差应力。浮头式换热器可以用在管束和壳体有较大温差的工况，尤其适用于石油化工等高温高压的换热装置中。换热管和换热器壳体的清洗检修方便，但其结构复杂，对密封件的要求较高，造价较高。

1.3 “U”型管式换热器

将换热管弯成“U”型，两端固定在同一管板上即为“U”型管式换热器。由于壳体和换热管分开，换热管束可以伸缩自由，不会由于介质的温度差异而产生温差应力。管束可以自由的抽出和装入，方便清洗，同时具有浮头式换热器的优点。但是，由于换热管做成各种不同半径的“U”型弯，虽然最外层的换热管损坏后可以更换，但其他管件损坏却只能堵管。而且，与固定管板式换热器相比，它的管束中心部分存在空隙，很容易影响流体走向，影响传热效果。“U”型管式换热器主要用于管内清洁却不容易结垢的高温、高压介质。壳程介质适应性强，常用于高温高压、黏度大的场合。

2 管壳式换热器故障分析

管壳式换热器的故障主要表现在换热器泄漏和传热效率降低两方面[1-6]。

2.1 换热器泄漏原因分析

2.1.1 腐蚀

以碳钢制作而成的换热器受腐蚀性问题较为突出。管壳式换热器的管板和列管的连接是由手工电弧焊制而成的，这种特性导致其焊缝经常出现腐蚀现象，引起机械故障，不利于正常使用。由于手工电弧焊制过程中，不可确定因素较多，如受电焊工技术影响，电焊过程中出现气泡、凹槽以及夹渣等，当流体内含有离子及氧气经过管板时，发生泄漏，会产生腐蚀现象。长期如此，引起换热器故障，影响使用。

2.1.2 介质及使用氛围引起的泄漏

泄漏现象的产生还与换热过程中使用的介质、温度、酸碱度以及流速等因素有关。介质不同，腐蚀程度也随之变化。譬如淡水与海水中所含氯离子和氧的浓度不一致，二者对管板和列管焊缝处腐蚀程度不一致；温度越高，腐蚀性也越强；pH越小，流速越大，对由碳钢制作而成的管板、列管腐蚀程度越强，较容易引起故障。

2.2 传热效率降低故障原因分析

从管壳式换热器装置的生产工艺特点来分析，换热器热交换效率之所以降低，一是换热器发生了污垢堵塞，二是因为在换热器中介质的流速或者流程减小。

(1)根据换热器污垢的形成过程，可以将其大致分为六类：流体中所含有的固体颗粒因在换热器表面沉积形成颗粒污垢；溶液因其溶解度的变化而在换热器表面析出晶体，形成析晶污垢；微生物体以及宏观生物体吸附在换热器表面所形成生物污垢；因流体中的某些化学反应而在换热器表面所形成化学反应污垢；多组分溶液中的高溶剂组分以及纯净液体在换热器表面凝固形成凝固污垢；换热器表面材料因被腐蚀形成腐蚀污垢。通常情况下，管壳式换热器中的污垢是由其中两种或者两种以上的污垢相互作用及影响而形成的混合污垢。

(2)在一定程度上，可以根据需要在换热器中安装隔板，从而使整个管程，分为双程甚至多程。这样一来，换热器中介质的流程就会变长，换热器的热交换效率也会因此而得到提高。然而，随着设备运行时间的延长，腐蚀极易造成分程隔板的穿孔或者出现隔板因其槽内密封垫片的损坏而短路的现象。在这种情况下，介质就不会经过换热器，而是从上一管程直接泄漏到下一管程，介质的流程大大缩短。此外，为了使壳程中介质的流速以及其湍动程度获得较大的提高，通常会在管壳式换热器的壳程安装折流板。折流板能够控制壳程中介质的流动方向，增大其传热系数。然而，在换热器运行过程中，折流板极易遭到腐蚀，从而不能有效发挥折流作用。

3 管壳式换热器故障检修

3.1 换热器泄漏故障处理

3.1.1 补焊

当换热器折流板、管板因腐蚀而发生泄漏时，首先应该对其腐蚀程度进行评估，确定其是否能够通过修复继续使用。对于能够通过修复而继续使用的，可以对其进行打磨补焊；对于不能继续使用的，需要重新更换；而对于具有非常严重腐蚀情况的，必须根据介质参数进行重新设计，并对其材质进行更改。

3.1.2 堵管

当换热器静密封面发生泄漏时，可以更换密封垫片或者预紧螺栓。当换热管束因被腐蚀而发生泄漏时，如果泄漏管数低于总换热管数的10%，可以堵管。

3.1.3 换管

如果泄漏管数高于总数的10%，堵管会严重影响换热器的换热效率，则必须进行换管。

3.2 换热器污垢处理

在处理换热器污垢时，首先要充分了解污垢类型，结合污垢的严重程度选用合适的清洗方法。现阶段，我国通常采用的换热器污垢清洗方法主要有4种，分别是机械清洗、高压水射流清洗、化学清洗以及综合清洗。

3.2.1 机械清洗

机械清洗的适用对象为管壳式换热器的管程以及壳体内壁。然而，由于机械清洗的工作效率非常低，还需要进行多次清洗，会对设备产生一定的损害。

3.2.2 高压水射流清洗

高压水射流清洗的清洗力度非常强。首先通过高压水泵将高压水送出，然后利用高压水枪将高压水流直接喷射到换热器所需清洗的部位。不同的清洗设备可以选择不同的枪型，譬如清洗壳体内壁以及管束外壁时可以选择具有较广喷射面的手持抢；清洗换热管可以选择刚性枪；清洗带弯头的换热管或者换热器的相关管线时可以选择柔性抢。然而，对于那些具有致密坚硬垢层的污垢，高压水射流清洗的效果较差。针对这类污垢，通常采用以机械清洗为主、高压水射流清洗为辅的清洗方式。此外，高压水射流清洗水压过

高、安全风险较大，因此必须对相关操作人员进行专门的培训。

3.2.3 化学清洗

化学清洗是在换热器中利用化学试剂进行循环从而达到溶解及消除污垢的目的。一般来讲，化学清洗通常采用强制循环法以及浸泡喷淋。对于那些不能进行拆卸操作的换热器部件，可以采用该类方法进行清洗，但需要注意的一点是，在选用化学清洗试剂时，必需对试剂腐蚀性进行评估，确保其不会腐蚀、损伤设备。

3.2.4 超声波除垢

近些年来，超声波除垢技术得到广泛应用，但是针对一些特殊的工况或部件，仅靠超声波除垢一种清洗方式得到的效果并不理想，可以结合几种清洗方式来对设备进行综合清洗，从而达到除垢的目的。