高效换热器换热管失效的原因及对策分析

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（青岛兰石重型机械设备有限公司 山东 266555）

1.换热器概述

换热器也被称为热交换器，顾名思义，就是对热量进行置换的设备，也就是能够将热流体的部分热量传递给有需要的冷流体的机器。换热器在工业生产中能够发挥较为重要的作用，应用较为普遍和广泛，尤其是在石油化工行业之中的应用尤为广泛，不仅能够用作加热器，还能够被用作冷却器、冷凝器等，用途极为多样化。换热器并不是只能将热流体的热量传递给冷流体，更准确来说，它是一种将不同温度的物料进行热量传递的设备，而且不限于两种物料之间，多种也能实现，将热流体的热量传递给冷流体，使得流体的温度能够满足实际的生产需求，还能够最大限度地提高能源利用率，是有利于节能环保的重要设备之一。

2.换热器在石油化工生产行业的具体应用及作用

在经济社会快速发展的推动之下，我国石油化工等行业的发展十分迅速。而且因为其在社会生产生活中能够发挥重要作用，其重要性也越发凸显，为了更好地满足社会生产发展的需要，就需要不断提高石油化工工业的生产效率及质量，因此，越来越多的现代化技术及设备仪器等被应用在了石油化工的生产行业之中。其中就有换热器的身影。因为换热器有着极好的传热效果，能够在工业生产中发挥重要作用，且其自身的优势及节能效果也是其他类似设备不能相比拟的，所以换热器在石油化工产业中的应用十分广泛，而且也在发挥着极为重要的作，已经成为了我国石油化工生产企业中不可或缺的重要设备。

其一，冷却作用。高效换热器能够应用于化工生产企业中作为冷却设备使用，对于工业生产中的工艺物料进行冷却。

其二，加热作用。换热器应用于化工生产过程中时，还可以作为加热工艺物料的设备，对于一般加热要求的物料可以选择用水蒸气作为加热介质，而如果对于温度的要求较高，用水蒸气则效果较差，则需要用到导热油作为加热介质。

其三，作为再沸器设备。换热器作为再沸器使用时，多是被用来蒸发蒸馏塔里的物料。如果是热虹吸式的再沸器，只需要利用液头压差的自然循环蒸发就可以达到工艺效果：而如果是动力循环式再沸器，则需要被用泵来实现其循环蒸发功效。

其四，作为分凝器使用。换热器作为分凝器使用一般是用来对蒸馏塔顶的物料进行冷却，或者用于反应器的冷凝循环回流。换热器被应用于多组分的冷凝时一般会出现两种情况，一种是最终的冷凝温度相对于混合组分的泡点而言较高，在其中仍然有一部分未达到完全冷凝的效果，但是已经符合了再一次进行分离的要求；另一种情况是针对含有惰性气体的多组分物料进行的冷凝，最终冷凝温度一般会降低到等于甚至低于混合组分泡点程度。

其五，作为蒸发器使用。换热器在作为蒸发器使用时主要是应用在对溶液中的水分以及溶剂进行蒸发。

其六，用作过热器，也就是将其作为对饱和蒸汽进行再次加热升温的仪器。

其七，作为废热锅炉使用，也就是利用换热器对高温物料或者废气中的热量进行回收再利用，使其产生蒸汽用于工业生产中。

其八，作为纯粹的换热器使用，也就是用来对不同温度之间的工艺物料进行热量交换。

3.失效高效换热器换热管的检查方法

(1)从宏观角度入手进行检查的方法

如果高效换热器的换热管出现失效的状况，应该先从宏观的角度入手对其进行整体检查，首先，要对换热管内外的表象进行详细检查，一般来说，失效的换热管波纹短处的表面会有污垢的存在，而这些污垢会呈现出类似泥土的色泽，不仅如此，换热管内壁的表面也会存在着局部有较厚污垢的现象；其次，将发生失效状况的换热管进行取样，选择一段有着较明显裂纹的管样，将这段换热管沿轴线进行剖开操作，对其内外进行检查分析，找到裂纹所在，通过观察判断出裂纹到底是发生在外壁还是内壁，从而为更进一步地检查分析提供依据。

(2)从微观角度入手进行检查的方法

微观检查的方法同样需要先进行取样，在取样时一般是利用线来进行，从失效高效换热器换热管的断口附近选取一段样本，然后利用电镜对其扫描观察，并进行试样，从而对裂纹进行进一步观察，详细分析其裂纹的延伸走向，有无二次裂纹，从而对换热管断口处的形貌进行判断，分析总结出其具体的形貌特征。对裂纹的起裂位置进行更加精准地判断。不仅如此，还需要对端口的起裂位置进行更加详细地微观检查，检查其表面是否存在腐蚀，及其具体的应力作用特征。除此之外，还可以利用能谱分析的方法对失效换热管断口表面有覆盖物的区域进行检查，分析覆盖物中的元素，从而利用这些元素来判断腐蚀发生的条件。

(3)对材料进行分析的方法

与上述两种方法类似，第一步需要对失效高效换热器换热管进行取样，不同之处在于这种方法的取样需要从不同部位进行多次取样，然后对不同位置的样本进行材料分析。其一是进行简单的材料金相分析，也就是将裂纹在抛光的状态下进行显示，从而观察其裂纹的扩展情况、有无二次裂纹及其具体表现等。其二则是利用4%的硝酸酒精溶液对金相样本进行腐蚀，从而观察其金相组织。如果此时产生的晶粒是轴状的形态，而且能够观察到很明显的大量变形痕迹，则可以根据塑性变形对性能的影响规律得出初步结论，即因为在安装后需要对安装前处于冷变形状态的换热管进行退火处理，导致其内部含有残余应力，从而最终导致了裂纹现象的发生；而若是晶粒表现出了脆化的现象，那么就基本可以确定是因为高温腐蚀从而导致了裂纹。

4.导致高效换热器换热管失效的原因分析

(1)材料因素导致的失效

材料自身的耐腐蚀能力弱是导致高效换热器换热管失效的原因之一。因为相对于应力腐蚀这种状况来说，保护膜会形成一定的有别于外界的环境，而保护膜本身是有着较强的耐腐蚀性的，但是材料却不一定，在应力与腐蚀的双重作用下材料会极容易发生开裂现象。不仅如此，材料本身的耐腐蚀能力的高低还会因为在对其进行处理时采用的热处理工艺及其自身纤维组织的不同而不同。

(2)应力因素导致的失效

在造成高效换热器换热管失效的所有因素之中应力是一个极为主要的原因。在高效换热器中换热管需要与管板进行连接，而在采取具体的连接时最普遍的方法便是胀接法，这种连接方式固然简单有效，但是也会在换热管内壁之上留下较高水平的残余应力，一旦换热管进行工作，在材料热胀冷缩的特质影响之下，如果受热，就会有内应力从连接之处产生，那么在内应力及残余应力的共同作用之下材料的开裂也就是一种频发的状况。

(3)温度因素导致的失效

在工业生产之中，尤其是在石油化工的生产之中，高温环境是不可避免的，但是一些换热管的温度承受范围却是有一定限制的。所以，如果换热管长期处于温度过高的环境中时就会发生开裂。更何况，在高温的环境中，一些其他的物质也会发生变化，例如尿素溶液，它极有可能会发生结构变化，产生出氰酸铵，这是一种具有较强腐蚀性的物质，会对管壁产生腐蚀，从而导致换热管失效。

(4)介质相因素导致的失效

因为高效换热器换热管常常需要处于特定的工作环境之中，所以介质相的不同也会发生不同的状况，一般而言，汽相条件下的应力腐蚀度就强于液相环境，也就会增加换热管断裂的可能。

5.应对高效换热器换热管失效的具体对策分析

(1)尽可能选用耐腐蚀性强的材料

材料因素是造成高效换热器换热管失效的主因之一，因此，需要再具体分析换热管工作环境及条件的基础上对其具体材质进行严格选择，尽可能选用那些具有高耐温性及耐腐蚀性的材料。

(2)对所有应用物料中的元素含量进行严格控制

一些化学元素在不同的环境中会产生不同的化学反应，从而加剧换热管的腐蚀状况，因此要对应用于换热管及其环境中的物料的元素换量进行科学控制。其中最主要的是要对极容易受到氯离子应力腐蚀的换热管进行重点关注，严格控制脱盐水中氯离子的含量，将氯离子浓缩现象的出现率降到最低。

(3)对换热管的胀接工艺进行创新改进

换热器中换热管与管板的连接方式主要为胀接，也就是需要利用管板孔及换热管自身的变形特质来产生预紧力从而完成管口的紧固、密封，但是这种连接方式极容易产生换热管开裂的现象。所以，要对传统的胀接工艺进行改进，采取一定的措施来平衡换热管与管板之间的接触压力，提高其应对温度变化的抗性。

(4)避免应力集中

应力集中就会造成换热管的开裂，从而造成换热器失效。所以，在进行相关操作时必须严格按照相关的工艺程序和标准来进行，将温度、压力的变化控制在最小的范围内；还应该对气体的分布器结构进行科学设置，保证其运行的稳定性，减少低周疲劳现象的发生；还可以通过改进结构来协调胀接处的变形，尽可能降低热应力影响。