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发表于：2012/02/25 16:23:43 楼主管理分享倒序浏览只看楼主回复私聊

换热器管束失效分析与防范

林洪亚，林榕端

（广西大学化学化工学院，广西南宁 530004）

摘要：管束是换热器、废热锅炉、蒸发设备的重要组成部分，也是这些设备中最容易失效的部件之一。本文分析了引起管束失效的原因并提出防范措施。

关键词：换热器管束失效分析防范措施

中图分类号：TK172 文献标识码：A 文章编号：

Failure Analysis and Provention Methods of Heat Exchanger Tubes

Lin Hong-ya，Lin Rong-duan

( School of Chemical Engineer, Guangxi University, Naning 530004, China )

Abstract: Tubes are the most important accessories of heat exchangers, boilers. They are also most easy failure in their accessories. The reasons of causing failure and provetion methods are analysed in this paper.

Key words: Heat exchanger Tubes Failure analysis Provention methods

引言

列管式换热器因其操作弹性大、耐高温高压、结构坚固、选材广等优点，一直在工业中有着广泛的应用。然而在运行中常会出现管程泄露、传热能力下降、流体输送动力增加、产生噪音等情况，分析原因，主要是由三种诱导因素——腐蚀、振动和结垢对管束的损坏造成的。

1 管束的腐蚀

1.1 管束常见腐蚀失效类型及原因

壳程流体流动较为复杂，而且死角较多，管束很容易遭受腐蚀，换热管的腐蚀故障约占换热器总故障的50%以上^[1]。腐蚀主要有全面腐蚀和局部腐蚀，对于全面腐蚀，往往是由于选材不当或是工艺条件不能满足设计条件的要求造成的，通常在设计时可以避免。而局部腐蚀是难于预测的，破坏性也是最为严重的。换热管常见的局部腐蚀类型有以下几种。

作者简介：林洪亚（1979-），男，辽宁朝阳人，广西大学化学化工学院2004级研究生。

⑴应力腐蚀：主要发生在拉应力区并在特定的介质（如氯离子）存在的条件下。管束易发生的应力腐蚀的部位有：①胀接过渡区：采用胀接连接的接头，在已胀和未胀管段间的过渡区上，管子内、外壁都存在残余拉应力，一旦具备发生应力腐蚀的环境，这部分管子很快就会发生应力腐蚀^[2]；②接头如采用焊接形式，焊接时产生了热应力，为应力腐蚀提供了条件；③对发生泄漏的管子，常将其堵住，由于堵塞的管内无介质流动，将导致已堵管和位于周围的未堵产生很大的温差应力，如果未堵管受到拉应力的作用，就有可能引起应力腐蚀；

⑵缝隙腐蚀：主要发生在壳程流体死角区的缝隙里，这些区域可以形成介质的浓差电池。常发生的区域有：①管子与管板焊接接头的缝隙，由于缝隙里的流体无法流动，造成缝隙内外的介质的浓度差，在电化学作用下会引发缝隙腐蚀；②管子和折流板之间存在间隙，容易引起缝隙腐蚀；③污垢的附着部位也会引起缝隙腐蚀，在壁面形成局部深坑，引起应力集中；

⑶冲刷引起的腐蚀：主要发生在管子入口处，由于流体收缩而造成，特别是含固体悬浮物的液体更容易产生冲刷腐蚀，被冲刷腐蚀的部位，常有典型的沟状、洼状或波纹状等外观特征^[1]。

1.2 腐蚀防护措施

⑴设计时，对管子与管板可采用对接焊，从根本上消除接头缝隙。也可以将管子与管板连接用强度胀加密封焊，减少氯离子的聚集；⑵开停车时，控制好温度升降速度，避免产生过大的温差应力；⑶发现管子或接头泄漏时，应慎重采取堵管方法，可以更换管子时尽量换管；⑷对含固体悬浮物的流体，壳程入口处要放置防冲挡板，避免冲刷腐蚀；⑸在水冷器中，可添加缓蚀剂以降低腐蚀，同时要对冷却水进行软化处理，结垢后要定期清洗。

2 管束振动失效

如今换热器一方面趋向大型化，另一方面又趋向于增加壳程流速以强化传热和减少污垢，这样产生振动的可能性也就增大^[3]。振动易发生在挠度相对较大和壳程横向流速较高的区域，通常是壳程进出口接管区、折流板缺口区、U型管束最外层管子和承受压缩应力的管子。管束的振动会引起泄漏、噪声和阻力增大等严重后果。

2.1 振动引起的失效形式^{[4, 5]}

⑴撞击破坏：当管子的振幅足够大时，将导致换热管在跨度中央由于振动发生相互碰撞，位于管束外围的换热管还可能和换热器壳体内壁发生碰撞，紧靠在弓形折流板圆缺口处没有受到支撑的管子，也会与折流板圆缺口边互相撞击而遭受破坏；

⑵折流板损伤：为了便于安装，一般折流板开孔较管子直径略大一些，当管子发生横向振动的振幅较大时，就会引起管壁与折流板孔内表面间产生反复碰撞。当折流板较薄时，碰撞会产生较高的接触力，对管子有一种锯割作用，短时间内即可使管壁开裂；

⑶接头泄漏：由于壳程接管多位于管板处，进口处介质的高速冲刷容易在此区域诱导振动。管子与管板的连接结构可视为固支约束，管子振动产生横向挠曲时，连接处应力最大，从而导致胀接或焊接点的破坏，造成泄漏；

⑷材料缺陷扩展：振动能引起应力的脉动，如果材料在应力场的关键部位存在微观缺陷，那么在振动引起的交变应力作用下，位于主应力方向上的缺陷裂纹会迅速扩展，最终导致管子失效。

2.2 防止管束振动失效的措施

对换热器内流体诱导振动机理的解释，目前提出的理论有旋涡脱离、湍流抖振、流体弹性激振、声共鸣等，这些理论大都认为流体诱导激振主要与流体横向流和管子自振频率有关，据此，常用的防振措施有如下几种：

⑴降低壳程流速：直接降低换热器壳程流体速度是防止振动的最有效的方法，但流速的降低又可能较大地降低流量和传热特性。通常在设计时可以考虑用增大管间隙的办法来降低流速，但会增大壳体直径；

⑵增加管子的自振频率：增加管子自振频率的最有效的办法是缩短折流板间距，减小管子的最大无支撑跨长。其次也可采用变更管子材料或增加管子壁厚与直径的办反，但现实意义不大；

⑶加大壳程流体入口管径或在入口加装防冲板：这种方法不仅可以避免流体直接对接管处管束的横向冲刷产生的振动，还可以避免冲刷腐蚀，对流速高特别是含固体颗粒时尤为适合；

⑷管子的材料要比折流板材料硬度要高，在制造条件许可下，适当减少管子和折流板管孔之间的间隙，或者加大折流板厚度，都能有效减轻管子与折流板之间的剪切作用；

⑸变更折流板的形式，折流杆或条状支承都能卓有成效地解决振动问题；

⑹检修时，可适当调整折流板位置，避免管子的重复磨损。

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2012/2/25 16:24:06 沙发管理分享倒序浏览只看楼主回复私聊

3管束的结垢

换热器在运行过程中，如果工作介质的硬度较高，或流体中含有颗粒物、悬浮物、冷却水中有藻类、泥沙等都会导致管束内外壁严重结垢。据调查，90%以上的换热设备都存在着不同程度的结垢问题^[6]。污垢的导热性差，是钢材的1/30~1/50，随着污垢层的增厚，传热热阻很快增大，致使换热能力下降，介质出口温度达不到设计工艺参数要求。结垢还是造成流体输送动力增加的主要原因。

3.1 污垢的类型及防范措施

⑴沉降结垢：悬浮在流体中的固体微粒在换热壁面上积聚形成的污垢，垢层较为松散。可以通过机械过滤、沉淀或凝聚等方法除去此类污垢；

⑵析晶结垢：如钙镁类无机盐，在水中的溶解度随温度升高而降低，附着在壁面上形成结晶型污垢，垢层致密，坚硬。通过对水软化处理，或加入化学物质提高结晶盐类在水中的溶解度，可消除或减轻此类污垢；

⑶生物型污垢：如藻类、菌类本身附着在传热面上形成污垢，垢层较厚，不但阻碍流动和传热，而且腐蚀传热面。常在水中加入氯或杀菌剂，采用某些结构材料（如铜）可抑制这类污垢；

⑷其它类型污垢：由于壁面腐蚀、燃烧结焦、某些工艺过程生成的化学反应物或聚合物等，也都形成污垢，可针对其生成原因采取相应措施^[7]。

除考虑上述介质本身外，还要从设备结构、运行中防止污垢，结构上避免有旁通、短路、死角等流动不均匀或滞流区域；运行中控制流速、温度，还可根据需要加入防腐剂、消毒剂和杀藻剂等。

4 结论

由以上分析可见，管束的失效与振动、腐蚀和结垢等因素有关，有时是几种因素共同作用的结果。因此在换热器的设计和使用过程中，要仔细分析各种影响管束失效的因素，防患于未然。

参考文献

[1] 张晓峰，张小萌. 管壳式换热器的腐蚀与防护分析[J]. 化工装备技术，1997，18（1）：52~55

[2] 刘相臣，张秉淑. 化工装备事故分析与预防[M]. 北京：化学工业出版社，2003

[3] 兰州石油机械研究所. 换热器（上）[M]. 北京：中国石化出版社，1991

[4] 程林. 换热器内流体诱导振动[M]. 北京：科学出版社，2001

[5] 钱颂文，岑汉钊，曾文明. 换热器流体诱导振动——机理、疲劳、磨损设计[M]. 北京：烃加工出版社，1989

[6] 张少峰，刘燕. 换热设备防除垢技术[M]. 北京：化学工业出版社，2003

[7] 朱聘冠. 换热器原理及计算[M]. 北京：清华大学出版社，1989

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