管壳式换热器常见失效形式浅析及对策探讨
                                        刘春雷 　栾江峰
                                       (辽宁石油化工大学)　
    摘要：先从管壳式换热器的几个敏感部位出发,分析了其主要的失效形式,并提出了相应的预防措施和治理方法.



然后分别指出振动、腐蚀、选材、三个对换热器失效影响{zd0}的因素,同时引用了新的方法对换热器的振动失效评估进行了浅析.

　
    关键词：管壳式换热器　失效　对策
    0　引言
    管壳式换热器是石油化工领域应用最广泛的换热设备之一.

但是,由于选材、加工制造、使用、等众多因素的影响,换热器的失效却屡见不鲜.

企业也因此遭受了不可估计的经济损失.

本文从工程实际中换热器最容易失效的敏感部位出发,综合分析了各种失效形式,明确了促使其发展的关键因素.

同时,对各种失效形式也提出了相应的预防措施.


    1　管壳式换热器敏感部位的失效形式及对策
    1.1　换热管与管板的连接处
    由于换热管与管板的连接处属于几何形状突变处,再加上连接方式和焊后热处理的不当、温差应力的存在、换热管与管板材料选择的差异性等因素,使管口与管板连接处可能存在较大的残余应力,焊接部位呈隐性缺陷状态(含有气孔,杂质等).

在壳程流体的诱导振动和其腐蚀性的双重作用下,管口与管板连接处便出现了应力腐蚀开裂、缝隙腐蚀和振动疲劳破坏.

并且它们之间的相互促进,又进一步加大了连接处的破坏速度.

以下措施对提高连接处的使用寿命有一定的意义.


    (1)连接方式采用先焊后胀的顺序,并且采用机械液压胀接,焊后要做相应的热处理.

换热管伸出管板的尺寸可以适当加长.


    (2)换热管的材质与管板的材质尽量匹配,这样可以xx不同材料接触所形成的电势差,有利于从根本上控制管程和壳程的双侧腐蚀问题.

同时换热管材质的硬度要低于管板材质的硬度,使管板与换热管的胀接得到{zj0}组合.

同样,焊条的选择也是不可忽略的因素.


    1.2　换热管与折流板的配合处
    为了加工制造的方便和使用中能充分吸收换热管的热膨胀量,折流板与换热管的配合处常留有一定的间隙.

在壳程流体的冲击下,此间隙逐渐加大,导致折流板切割换热管,从而引起强大的振动噪音和换热管的泄漏失效.

这个间隙的存在还会使壳程流体的流动变得更加复杂,影响换热器的传热效率.

以下几方面的建议可供参考:
    (1)加工制造时尽量减小换热管与折流板间的间隙.


    (2)折流板的材料不要选得过硬,以免短时间内破坏换热管.


    (3)可适当增加换热管的厚度,提高抗切割能力.


    (4)尝试着在空隙处插入一种弹性很好的材料,这样既吸收了热膨胀量又隔开了折流板的切割作用.


    1.3　管板与壳体连接处
    换热器的壳体和管板在使用过程中承受着较大的温差应力和压力载荷的作用.

由于壳体温度载荷高,径向变形大,而管板温度载荷低,径向变形小,并且管板厚度大,抵抗变形的刚度也大,所以它对与管板连接地方的壳体约束就大,限制了壳体在高温载荷作用下引起的径向膨胀,形成局部应力集中.

在压力载荷等因素的作用下,可能发生断裂破坏.

管板和壳体之间不均匀的温度分布和管板具有较大的刚度,是引起结构应力集中的主要原因.

在正常操作工况的条件下,由于温度场的分布不均匀为主要因素,所以在满足结构强度的前提下,可以考虑适当降低管板的厚度.


    1.4　U行管弯管处
    对于一些不锈钢管束,由于U行管制造时存在着塑性变形,以致弯管处产生较大的残余拉应力.

同时,两直管段不均匀的热变形又提供了温差应力,两个应力互相叠加,便在弯管处形成很大的拉应力.

在腐蚀性介质和弯管处弯曲振动与扭曲振动的作用下,形成了对弯管处影响很大的疲劳腐蚀破坏.

以下方法可有助于减轻不利条件对弯管处的破坏.


    (1)保证U行管具有足够的挠度,以便充分吸收热变形.


    (2)对弯管处做相应的处理,以xx残余应力.


    (3)加大流体进入壳体的面积,适当降低流体的流速,可以减小其激振力和激振频率.


    (4)适当增加管壁的厚度,可以延长换热管的耐磨周期.


    1.5　小浮头垫片的泄露失效
    小浮头垫片内漏的主要原因是由于使用过程中存在着温差应力.

温差应力降低了小浮头垫片的螺栓预紧力,并且小浮头螺栓在使用过程中不能实现自紧密封,以致产生失效.

温差应力和预紧过程中存在着残余应力是小浮头垫片泄漏的根本原因.

以下控制方法可供参考.


    (1)尽量避免装置在运行过程中操作温度和操作压力的波动,对防止浮头垫片的疲劳失效是有益的.


    (2)在确定检修试验压力的时候,要充分考虑温度系数的影响.

以防止垫片在高温下发生蠕变和应力松弛,使密封比压下降,而造成泄漏.


    (3)能用强度低的螺栓就不用强度高的,一味增加预紧力会使与其配合的相关部件变形,并且变形后无法形成预紧力或使预紧力下降.


    (4)选用垫片时,要符合实际要求,能用垫片系数低的就不用系数高的.


    2　分析
    通过对以上敏感部位的分析,我们可以看到,几乎每一种失效形式都与振动、腐蚀和选材有着密切的联系.

现分别说明如下:
    2.1　振动
    换热器管束的振动是由壳程流体的诱导振动引起的,一般包括旋涡分离、紊流抖振、流体的弹性激振和声共鸣四种形式.

其中,弹性激振是最主要的振动形式,并且旋涡分离和紊流抖振对它起一定的促进作用.

所以,分析振动的关键是研究流体的弹性激振.

流体在换热器内流动存在一个“临界流速”问题,传统的方法是通过基于经验半经验的公式来确定.

有学者把换热器内的流体视为非定常不可压缩流体,通过它建立一个关于流场的参数多项式,无论是二维还是三维流动,该多项式的系数只是一个坐标的函数.

把此参数多项式带入流体基本方程,利用振荡流体力学理论,就可以求得影响流体弹性不稳定的相关参数和“临界流速”的数值.


    参数多项式方法是一种快速的数值计算方法,应用它可以计算各种振幅条件下的流体力做功,通过阻尼稳定性理论,便可以求得平衡振幅,而后得到动应力,{zh1}把动应力与管束的疲劳寿命结合起来.

这种方法更加符合工程实际的要求.


    目前工程实际中主要采用以下方法预防管束振动.


    (1)制定合理的开停工顺序,加强在线监测,严格控制运行条件,在流体入口处设置防冲板、导流筒和分流器,既可以避免流体直接冲刷管束、降低流速,又可以降低流体脉动.


    (2)适当降低壳程流体流速可以降低流体诱导振动的频率,是防止管束振动的直接方法,但是传热效率也会随之降低.


    (3)适当减小折流板间距,增加管壁厚度和折流板厚度.

折流板上的管孔与换热管管要紧密配合,间隙不要过大,这样可以优化结构设计,增加管束固有频率,使流体诱导振动频率远离换热管固有频率.


    (4)改变管束支撑形式,采用新型纵向流管支撑,如折流杆式、空心环式、及整圆形及异形孔折流板等.

它们可以有效地xx流体的诱导振动,也可以降低壳程流体的压力降.


    (5)在管束中预先设定的位置上不设管,可以减少振动的可能性.

例如,在有振动倾向的换热器中,位于折流板切口线上的管子有时会受到过分的损害,因此有选择地xx折流板切口线上的管子,对防止振动是有效的.


    (6)由于压力或温度的作用形成的对管子的轴向压缩载荷,对振动有潜在的影响,对于热物料走壳程的固定管和所有多管程固定管板换热器这种影响尤为明显,采用膨胀节便可减少管子的压缩应力.


    (7)从实际传热和水力经济性考虑,尽可能采用{zd0}的管径.

较大的管径,其惯性矩也大,因此对一定长度的管子来说,能有效增加管子的刚度.


    应用以上措施取得了一定的效果,但是,由于换热器内流体的流动十分复杂,同时,为了满足工艺要求还要考虑传热效率和压降的影响,就使得有些措施不是太令人满意.

流体横向冲刷管束是管束振动的根本原因,只要是横流式换热器,振动问题很难从根本上解决.

目前,纵流式换热器和螺旋流式换热器已经逐步被众多企业所采用,使用它们管束的振动可以减小到{zj0}状态.


    2.2　腐蚀
    换热器的腐蚀形式主要包括:蚀孔、均匀腐蚀、应力腐蚀开裂.

每种腐蚀形式都是在敏感材料、腐蚀环境、和腐蚀介质三者的共同作用下进行的.


    均匀腐蚀虽然起到一定的破坏作用,但是它的危害程度具有预见性,只要把握好换热器的运行趋势,它的危害性并不严重.


    蚀孔不具有预见性,并且在一定的条件下有强大的自催化性能,它是腐蚀失效的主要原因.


    应力腐蚀开裂是腐蚀介质和拉应力共同作用的结果.

事实上,由于它的存在所造成的事故最多.

最典型的就是湿硫化氢应力腐蚀开裂.

腐蚀过程如下:
    水中电离:H2SH HSHS-H S2-
    阴极反应:2H 2eH2
    阳极反应:FeFe2 2e
             Fe2 S2-FeS
    虽然腐蚀对换热器的破坏性极大,但是我们可以通过选用合适的材料、控制流体的pH值、流速、和温度来预防.

还可以采用涂层、渗透、电化学保护等方法来延长设备的使用寿命.


    2.3　选材加工和维修时选材的不当也是造成换热器失效的主要原因之一.

选用材料时不能只重视强度,韧性等机械性能方面的特性,而忽视实际应用环境对材料的影响.

特别是两种不同的材料互相配合使用时,应充分考虑它们之间的差别对各自和整体性能的影响.

材料本身的缺陷是各种失效形式能够发生的基础,关心材料本身的缺陷对保证换热器长周期运行很有意义.


    3　结语
    本文综合分析了管壳式换热器在运行中存在的一些常见失效形式,并提出了一些相应的预防措施和治理方法.

但是由于换热器内流场和温度场的变化十分复杂,使得各种失效形式之间存在着必然的联系和影响.

同样,各种措施之间也不可能得到十分和谐的统一.

对于结垢、冲刷、防冲挡板的失效等虽未谈及,但是它们对换热器的安全运行也是十分重要的.

总之,只要我们从选材、加工制造、安装维修、运行操作、装置老化几方面来诊断和分析换热器,争取在故障出现之前采取合理的措施,便可以有效地保证换热器“安全、长周期、平稳、高效”运行.


    参考文献
    [1]　张俊杰,等 换热器管束流体激振研究的新思路[J] 核动力工程,2003,24(6):517-520 
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