板式换热器结构原理和检修方法研究

2023-12-12张奇李永哲刘铠

中国设备工程 2023年21期

张奇，李永哲，刘铠

（吉林省四平地质工程勘察院，吉林四平 136001）

随着我国工业发展进程的不断加快，换热器技术水平不断优化升级，如今已经衍生出多种换热器种类，例如，板式换热器、热管换热器、容积式换热器等。其中板式换热器以较大的传热面积，单位面积内可满足较大传热需要的技术优势得以广泛应用，板式换热器自提出至今，已有诸多学者研究此设备的结构原理与传热特性，发现此板式换热器有着高传热系数与自冲刷特性，小温差情况下回收低位热量。其中板式换热器在石油化工装置中发挥重要作用，而近年来新建投产的液氮循环冷却器的大型化，也逐渐对板式换热器的检修提出更高要求。传统的手动定力矩紧固螺栓这一方法，如今已经无法满足设备检修技术需要，极易导致板式换热器的螺栓紧固力矩不均匀，或是发生垫片把偏等状况，对此本文将对板式换热器的结构原理与检修方法展开研究，保证换热器发挥技术优势满足行业应用需要。

1 板式换热器结构组成

德国首次研发板式换热器并推广应用至今，板式换热器经过多次技术更新，如今成为一种高效的新型换热设备，由一堆金属片堆叠呈波纹状组成，包括传热板片、密封胶垫、固定与活动夹紧板、夹紧螺栓、上下导杆、橡胶板、滚轮、支柱等组成。

（1）传热板片作为负责传热的核心组件，一般选用0.6 ～0.8mm 厚度的不锈钢或金属钛材料所制，以人字形波纹较多。（2）密封胶垫是为了确保传热板片整个传热过程的密封性，一般选择三元乙丙橡胶、食品橡胶、丁晴橡胶等耐高温材料所制。（3）在板式换热器的两侧设计夹紧板，主要起到对传热版的固定与拆卸作用。（4）为了紧固封头与传热板片，通过使用通扣螺纹夹紧螺栓来实现。

2 板式换热器故障失效机制分析

结合板式换热器的应用实际，以M 系列型号的板式换热器为例分析故障失效机制，此设备选用304 不锈钢为传热板，冷却水与甲醇蒸汽分别作为换热器的两侧介质。冷却水一侧设定26℃与34℃的温度条件，正常工作压力范围为0.15 ～0.3MPa；甲醇蒸汽一侧设定80℃与50℃温度条件，正常工作压力范围为0.015 ～0.3MPa。

2.1 传热片材料组织

本研究所用XQ-ZB 型号的金相试验镶嵌设备，还有PG-2 型号双盘金像抛光设备，通过金相显微镜观察换热器传热片，根据传热片所用材料的表面形貌，用于判断材料组织的缺陷、分布与具体成相。选择其中一块失效的样本，找出此样本有不同腐蚀程度的三块区域，进行切割加工制备3 个试样，设计1050 ～1100℃高温环境中，迅速加温后冷却处理，在奥氏体内固溶升温产生的碳化物，直至降低正常室温即可成功获取奥氏体组织，使用金相显微镜观察。发现呈晶体状分布的孪晶，其中未腐蚀的该块试样为正常奥氏体组织；轻度腐蚀的该块试样有明显腐蚀孔，周围呈正常结晶分布；严重腐蚀的该块试样存在诸多腐蚀孔，周围主要呈树枝状裂纹，在粗糙的组织表面颗粒脱落现象。此结果证明长期应用中，板式换热器故障实效的原因之一，可能是传热片材料腐蚀改变组织结构所致。

2.2 传热片硬度

通过选用MVC-1000AI 型号维氏硬度测试仪设备，分析材料硬度过程如下：对3 块试样分别进行正四棱锥体形状的金刚石，进行维持一段时间的压力测试，将压力卸除后，对试样压痕的长度仔细观察，并对试样硬度完成计算。以光滑密封槽、热交换面作为本次硬度检测的主要位置，设计9.807N 的测试压力，维持测试时间共计10s，保持2mm 为一次测试试点间隔，共完成6 次测试计算均值。根据测试结果，密封槽的平均硬度238，与国际标准规定的210 硬度标准相较超出。热交换面的平均硬度205，在国际标准规定以内符合要求。由此可见，密封槽硬度与热交换面硬度相较更高，证明换热器应用中可能存在密封槽硬化故障，降低了材料塑性，且极大地提高了材料脆性，所以很容易出现后续使用中传热片裂纹，影响密封槽的正常使用期限。所以，可以得知，传热片硬度同样关乎换热器的故障实效。

2.3 传热片应力

选用X-350A 型号的X 射线设备，以及XF-1 电解抛光设备测试换热器传热片应力情况。由于制备设备的切割、焊接处理过程中，存在设备残存应力的可能，而残存应力是否合理分布，将直接缩减设备的正常使用期限。所以，本文展开对故障传热板测试应力分布情况，分别对两侧介质进行测试，分别选取密封槽、板片面6 个测试区域，并计算测试均值。结果发现，密封槽为185MPa拉应力均值，-100.6MPa 的压应力均值；板片面则为73.5MPa 的拉应力均值，0MPa 的压应力均值。此结果反映出传热片所受拉应力属于主要残存余力，密封槽拉应力明显更大，所以一旦超出合理限值，就极易造成换热器产生裂纹，证明过大的残余应力作为板式换热器失效的重要原因。

3 板式换热器检修方法

设备整体结构特点方便拆装，重量较轻，高效传热，紧凑的结构组成。但是，极易发生外漏故障，由于换热器板的间距较小，再加上流体通道狭窄，所以极易出现流体气化扩散，引发相关人员中毒伤亡等危险情况。一旦发生流体外泄再混合空气，就会形成爆炸性混合物，对工作环境及相关人员带来严重损害，因此开展板式换热器检修工作中，采用合理的检修方法，按照正确的检修步骤，对于保障板式换热器的安全可靠运行意义重大，一般应用以下几种检修方法。

3.1 设备解体

试压查漏需要标记外漏板片，明确重点检查区域，并以对角线方向将夹紧螺杆螺母松开，拆卸活动夹紧板维持基本平行。在全部松开活动夹紧板和板片后，保持自由状态然后将夹紧螺杆、螺栓推力轴承垫完全取下。这时，移动已经活动状态的夹紧板，与后立柱逐渐靠近，自尾板由外至内逐个拆卸板片即可。但要注意在这个拆卸过程中，一定要避免强拉硬拽，预防板片发生明显变形。将零部件拆卸后保持规范放置，避免板片出现意外划伤、撞击，以及螺栓推力轴承垫无端丢失的意外情况。保持齐平放置板片，尾板在下、头板在上，不可颠倒反放头尾两部位。

3.2 清理板片

首先，将板片旧的密封垫细心去处后，保证密封槽呈现光滑表面，逐一清洗板片。这个过程中，一定要注意清洗时，避免高压水枪压力过大导致板片受水压而出现变形情况。可以在检修平台平置板片，之后使用高压水枪将表面残存的杂质，还有粘留在密封槽内部的粘结剂彻底清理后，可以软布擦拭注意避免划伤导致板片腐蚀程度加重，清理之后依照与清洗之前的相反顺序叠放即可。

3.3 检查板片缺陷安装垫片

将板片逐一清理后，吹风保持表面干燥并仔细检查，确保板片无任何缺陷，按照正确顺序对密封垫片进行安装。自尾板开始安装，首先使用小刷子清理密封槽，所用刷子一定要保证不掉毛，均匀擦拭密封槽并涂抹粘结剂，与垫片黏连后，对板片安装对应孔卡住垫片的防脱抓卡锁。确保安装后垫片的整洁度，然后平置台面逐块按照朝下方向，叠放已黏连的垫片板片。注意这个过程中因为固定夹紧板和头板不允许任何流质的存在，所以需要使用全角密封垫片设计于4 个圆孔处，确保冷热流体不会流经夹紧板、头板间隙，完成最后一块尾板的粘贴后，即完成了所有板片的粘贴工作。

3.4 组装板片

组装环节首先需要完全清洗设备干净程度达标后，依据板片组装的具体顺序与不同方向完成安装，固定夹紧板作为换热板垫片的标准侧朝向，整齐垫靠并向尾板推动活动夹紧板，确保活动夹紧板为平衡状态。其次，对夹紧螺杆进行安装，对螺栓推力轴承垫与螺母安装完成后，测量并调整具体宽度，控制平行度在650±5mm ※范围内，进行无压状态下的夹紧设备安装，夹紧标准尺寸范围在518 ～533mm，确保尺寸均匀控制夹板平行度在2mm 以内。然后操作专用螺母拆装设备，紧固换热器的定力矩，计算拧紧力矩M 公式如下：

式中，预应力用Q0表示；拧紧力系数用Kt表示；螺栓直径用d 表示。

由于拧紧力系数密切相关螺纹表面光洁度，拧紧的速度与润滑情况，还有拧紧时的操作工具与温度变化，参考以往研究一般Kt取值为0.2。预紧力的计算公式如下：

式中，螺纹处的螺栓有效横截面积用As 表示，查阅相关文献取值976mm2，螺栓材料在拧紧温度20℃时的应力用0σ表示。

螺栓一般实际拧紧力矩以计算结果的80%为取值标准，通过计算所获的力矩数值，与板式换热器拆装螺母专用设备油泵对应压力数值，螺栓紧固所用力矩为40MPa。对螺杆进行编号并逐个安装螺栓拉伸器共4 个，在安装过程根据公式（1）、（2）计算可得紧固力矩结果为20MPa，在逐个紧固后都要对夹紧板的尺寸精准测量，确保符合518 ～533mm 尺寸范围标准，之后即可使用40MPa 力矩循环紧固。