船用热交换器常见故障分析

2023-06-17林兴

航海 2023年3期

关键词：热交换器腐蚀结垢

摘要：结合船舶管理实际，对船用热交换器常见故障的种类、故障原因和故障的解决方案等进行分析，从而为船用热交换器管理提供经验，保障船舶安全。

关键词：热交换器；故障；串液；传热效果；结垢；腐蚀

0 引言

为了遏制船用热交换器故障问题给船舶的管理带来麻烦及经济损失等，笔者结合在多年的工作实际中遇到的船用热交换器故障问题来探讨船舶常用船用热交换器故障种类、原因分析及故障处理等，以便我们更好地管理船舶及节省费用。

案例一：某轮主机滑油系统板式热交换器由于冷却板腐蚀产生穿孔，造成主机滑油与冷却水串液引起冷却水进入主机滑油系统造成系统滑油变质，最终更换整个系统滑油，造成经济损失。

案例二：某副机滑油系统管式热交换器法兰处密封圈老化失效引起两种介质互串泄漏造成副机滑油进入中央冷却水系统，给船舶管理带来很大麻烦。

1 热交换器的定义

热交换器（也称作换热器）是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备，即在一个大的密闭容器内装上水或其他介质，而在容器内有管道穿过。让热介质从管道内流过。由于管道内热介质和容器内冷介质的温度差，会形成热交换，高温物体的热量总是向低温物体传递，这样就把管道里介质的热量交换给了容器内的冷介质，从而使流体的温度能够满足工艺条件的要求。

2 热交换器的分类与结构

（1）热交换器按用途分类可以分为：冷却器、冷凝器、加热器、换热器、再沸器、蒸气发生器、废热（或余热）锅炉。

（2）按换热方式可以分为：直接接触式换热器（又叫混合式换热器）、流体连接间接式换热器、复式换热器、间壁式换热器。

按用途可分为：加热器、预热器、过热器、蒸蓄热式换热器和发器。

按结构可分为：浮头式换热器、固定管板式换热器、U形管板换热器、板式换热器等。

下面主要介绍一下按换热方式分类的常用船用热交换器。

3 船用热交换器常见结构、故障现象、原因分析及处理方法

3.1 沉浸式蛇管换热器

蛇管多以金属管弯绕成各种与容器相适应的形状，并沉浸在容器内的液体中，如图1所示。常用于空压机中压缩空气的冷却器。

3.1.1 两种介质互串（内漏）

（1）产生原因：换热管腐蚀穿孔、开裂。

（2）处理方法：①换热管补焊；②更换漏的换热管。

3.1.2 传热效果差

（1）产生原因：①换热管结垢；②冷却水量不足及水质不好、油污与微生物多。

（2）处理方法：①化学清洗或射流清洗垢污；②检查、增加冷却水量，加强水质管理。

3.1.3 阻力降超过允许值

（1）产生原因：壳内、管内外结垢。

（2）处理方法：用射流或化学清洗垢物。

3.2 管壳式换热器

管壳式（如图2所示），主要有壳体、管束、管板和封头等部分组成，壳体多呈圆形，内部装有平行管束，管束两端固定于管板上。在管壳换热器内进行换热的两种流体，一种在管内流动，其行程称为管程；一种在管外流动，其行程称为壳程。管束的壁面即为传热面。为提高管外流体给热系数，通常在壳体内安装一定数量的横向折流挡板（如图3所示）。常作为燃油加热器、设备冷却器使用。

3.2.1 两种介质互串（内漏）

（1）产生原因：①换热管腐蚀、磨损造成穿孔、开裂；②换热管与管板胀口（焊口）裂开；③浮头式换热器浮头法兰密封漏。

（2）处理方法：①更换或堵死漏的换热管；②换热管与管板重胀（补焊）或堵死；③选用耐腐蚀性材料（不锈钢、铜）或增加管束壁厚的方式；④保持流速稳定提高了热交换器换热效果和降低了管束腐蚀及减少磨损，当管的端部磨损时，可在入口200mm长度内接入合成树脂等保护管束；⑤紧固螺栓或更换密封垫片。

3.2.2 法兰处密封泄漏

（1）产生原因：①垫圈承压不足、腐蚀、变质；②螺栓强度不足，松动或腐蚀；③法兰刚性不足与密封面缺陷；④法兰不平或错位，垫片质量不好。

（2）处理方法：①紧固螺栓，更换垫片；②螺栓材质升级、紧固螺栓或更换螺栓；③更换法兰或处理缺陷；④重新组对或更换法兰，更换垫片。

3.2.3 传热效果差

（1）产生原因：①换热管结垢；②冷却水量不足及水质不好、油污与微生物多；③隔板短路。

（2）处理方法：①化学清洗或射流清洗垢污；②检查增加冷却水量，加强过滤、净化介质，加强水质管理；③更换管箱垫片或更换隔板。

3.2.4 阻力降超过允许值

（1）产生原因：壳内、管内外结垢。

（2）处理方法：用射流或化学清洗垢物。

3.2.5 振动严重

（1）产生原因：①因介质频率引起的共振；②外部管道振动引起的共振。

（2）处理方法：①改变流速或改变管束固有频率；②加固管道，減小振动；③在流体的入口处安装调整槽，减小管束的振动。减小挡板间距，使管束的振幅减小。尽量减小管束通过挡板的孔径。

3.3 管片式热交换器

高温增压空气流散经散热片，将热量通过对流作用传递给冷却管外壁，然后经过壁的导热作用传给管内壁，再由管内水的对流作用把热量带走，以完成换热过程。传热元件有：椭圆管方片、圆管圆片及圆管方片等几种结构形式。管与片的连接方式通常有：钎焊式、整体轧制式和机械胀接式。冷却管由胀管器将其两端紧紧地胀接到管板上。侧板作为空冷器的一部分，与管板用螺栓连接紧固。端盖（即进出水端盖和回流水端盖），作为循环水室，按设计的水流程数设置隔水筋。端盖上装有旋塞用于空冷器的放气和排水。端盖与管板间装有密封垫并用螺栓将其紧固。端盖、管板和冷却管的材质是根据冷却水质和设计水流速来选择的。在船上用作主机、副机的空气冷却器、空调蒸发器等使用。

常见结构、故障现象、原因分析及处理方法与管壳式换热器类似。

3.4 板式换热器

板式换热器是由带一定波纹形状的金属板片叠装而成的新型高效换热器，构造包括垫片、压紧板（活动端板、固定端板）和框架（上、下导杆，前支柱）组成，板片之间由密封垫片进行密封并导流，分隔出冷/热两个流体通道，冷/热换热介质分别在各自通道流过，与相隔的板片进行热量交换，以达到用户所需温度，如图4所示。板片波纹引起流体紊流并支撑板片承受差压。每块板片四角都有开孔，组装成板束后形成流体的分配管和汇集管，冷/热介质热量交换后，从各自的汇集管回流后循环利用，如图5所示。板式换热器常见故障有串液、外漏、压降过大、供热温度不能满足要求4个方面。船上常用作冷却器、蒸发器（造水机上使用）。

3.4.1 两种介质互串

（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浓缩腐蚀板片，形成串液。

（2）处理方法：①更换有裂纹或穿孔板片，在现场用透光法查找板片裂纹；②调整运行参数，使其达到设计条件；③换热器维修组装时夹紧尺寸应符合要求，并不是越小越好；④板片材料合理匹配。

3.4.2 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3 mm）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。

（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±0.2N （mm）（N 为板片总数），两压紧板间的平行度应保持在2 mm 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，重新装配或更换密封垫片和板片；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，防止污物黏附着于垫片密封面。

3.4.3 压降过大

（1）產生原因：①运行系统管路未进行正常吹洗，系统管路中许多脏物（如海生物等）进入板式换热器的内部，由于板式换热器流道截面积较窄，换热器内的沉淀物和悬浮物聚集在角孔处和导流区内，导致该处的流道面积大为减小，造成压力主要损失在此部位；②板式换热器首次选型时面积偏小，造成板间流速过高而压降偏大；③板式换热器运行一段时间后，因板片表面结垢引起压降过大。

（2）处理方法：①清除换热器流道中的脏物或板片结垢，根据实际情况定期清洗；②二次循环水最好采用经过软化处理后的软水，一般要求水中悬浮物质量浓度不大于5 mg／L、杂质直径不大于3 mm、pH≥ 7。当水温不大于95℃时，Ca 、Mg 浓度应不大于2 mmol／L；当水温大于95℃ 时，Ca 、Mg 浓度应不大于0．3 mmol／L、溶解氧质量浓度应不大于0．1 mg／L。

3.4.4 供热温度不能满足要求

（1）产生原因：①一次侧介质流量不足，导致热侧温差大，压降小；②冷侧温度低，并且冷、热末端温度低；③并联运行的多台板式换热器流量分配不均；④换热器内部结垢严重。

（2）处理方法：①增加热源的流量或加大热源介质管路直径；②平衡并联运行的多台板式换热器的流量；③拆开板式换热器清洗板片表面结垢。

3.4.5 板式冷却器拆、装注意事项

（1）检修前在板片组外表面上画一条对角线进行标记，测量并记下尺寸A（标准的A值可以从设备完工图中查找），见图6、图7。

（2）打开换热器时：按对角顺序松开螺栓，固定板和压紧板要保持平行，压紧板倾斜的水平宽度必须小于10 mm（每个螺栓2转），垂直高度必须小于25 mm（每个螺栓5转）。

（3）通过在上导杆上滑动压紧板打开板片组。通常不需要拆卸板片来对其进行清洁，板的顺序不要轻易改变。

（4）装复时，仔细检查所有密封面是否清洁。将密封垫安装到板片上并检查所有密封垫是否已正确安装及是否已安放到槽中的适当位置。

（5）如果板片已拆下，请交错插入板片，并使密封垫按照板片悬挂列表中的规定朝向固定板或压紧板。使用在打开换热器时标记的线。.如果达到尺寸A 时换热器未密封，则通过将尺寸A 减少0.5%将板片组进一步拧紧。

（6）密封垫老化判断：外观检查板式换热器时，外部的密封垫存在大面积的龟裂痕；换热器板片外表有液体漏泄的痕迹；特别在换热器冷机时，漏泄更明显；拆检时，检查密封垫的弹性，并坚持是否弯曲时有明显的老化现象—龟裂；高温工况及频繁拆开的换热器密封垫的寿命会缩短。

4 结束语

为确保船上换热器的正常使用，轮机主管人员应熟悉船上各换热器的特性，对设备做到勤检查、勤养护、勤记录，针对遇到各类故障问题，应根据具体故障细节进行分析及时解决问题，保证我们的船舶营运安全。