在各種換熱器中,鋼制管(guan)殼式(shi)換(huan)熱器以其結構堅固、可靠性高、適應性強等(deng)優(you)點在換(huan)熱器的(de)(de)生(sheng)產(chan)和(he)使(shi)(shi)(shi)用(yong)中一直占主導地位。但由于其結構的(de)(de)復雜性和(he)使(shi)(shi)(shi)用(yong)條(tiao)件(jian)(jian)的(de)(de)多樣性,換(huan)熱器常(chang)出(chu)現多種形式(shi)的(de)(de)失效(xiao)(xiao)。從結構上分(fen)析,易(yi)發生(sheng)失效(xiao)(xiao)的(de)(de)部位是管(guan)子和(he)管(guan)板(ban)的(de)(de)連(lian)接處;從受力角(jiao)度(du)分(fen)析,筒體和(he)管(guan)板(ban)的(de)(de)焊(han)縫易(yi)引起失效(xiao)(xiao);從使(shi)(shi)(shi)用(yong)條(tiao)件(jian)(jian)分(fen)析,熱應力或附加應力、工作介質的(de)(de)腐(fu)蝕性、換(huan)熱管(guan)的(de)(de)振(zhen)動(dong)等(deng),都(dou)會造成換(huan)熱器局部或整體失效(xiao)(xiao)。

1管子與管板的連(lian)接失效

根據換熱(re)器使用條件的(de)不同,管(guan)子與管(guan)板(ban)的(de)連接接頭形(xing)式(shi)可分(fen)為(wei)脹接、焊接和脹焊并用三種(zhong)。接頭形(xing)式(shi)不同,失效形(xing)式(shi)也有差異。

1.1脹接

(1)機械脹接(jie)

這種連接易使換(huan)熱(re)管(guan)(guan)(guan)產(chan)生過脹(zhang)或(huo)欠脹(zhang),換(huan)熱(re)管(guan)(guan)(guan)內壁(bi)易產(chan)生加(jia)工硬化(hua),換(huan)熱(re)管(guan)(guan)(guan)與(yu)(yu)管(guan)(guan)(guan)板(ban)的(de)(de)連接處(chu)在其整個(ge)連接的(de)(de)長度上應(ying)力(li)分布不(bu)均勻。在溫差變(bian)化(hua)和應(ying)力(li)的(de)(de)作用下,只要有微小(xiao)的(de)(de)加(jia)工缺陷(xian),如管(guan)(guan)(guan)孔縱向劃痕(hen),腐蝕介質的(de)(de)微量侵入就會使換(huan)熱(re)管(guan)(guan)(guan)與(yu)(yu)管(guan)(guan)(guan)板(ban)的(de)(de)連接失效(xiao)。若發現不(bu)及時(shi),殼程冷卻水滲入管(guan)(guan)(guan)程后,會引起大片管(guan)(guan)(guan)子與(yu)(yu)管(guan)(guan)(guan)板(ban)的(de)(de)連接失效(xiao),此時(shi)修復(fu)就比較困難(nan)。

(2)液壓脹接

液壓(ya)脹(zhang)接時(shi)管(guan)(guan)(guan)子不易(yi)產生(sheng)過脹(zhang),脹(zhang)接部位不產生(sheng)竄(cuan)動,管(guan)(guan)(guan)子與管(guan)(guan)(guan)板連接處(chu)在(zai)整個(ge)長度(du)上的(de)應力分布(bu)是(shi)均勻的(de)。根據液壓(ya)脹(zhang)接原理及GB151-1999規定(ding),為保證脹(zhang)接時(shi)管(guan)(guan)(guan)板與管(guan)(guan)(guan)束連接的(de)可靠性,脹(zhang)接時(shi)管(guan)(guan)(guan)板應開槽,槽間(jian)距和槽寬為8～9mm。這樣(yang),就使(shi)得(de)管(guan)(guan)(guan)子與管(guan)(guan)(guan)板之間(jian)的(de)脹(zhang)接面積相對(dui)減(jian)少(shao),管(guan)(guan)(guan)板的(de)厚度(du)必(bi)(bi)須(xu)加(jia)大才能保證連接可靠。而(er)且(qie),液壓(ya)脹(zhang)接對(dui)管(guan)(guan)(guan)孔及開槽的(de)精度(du)要求特別嚴格。由于(yu)管(guan)(guan)(guan)板孔加(jia)工是(shi)大批量生(sheng)產,必(bi)(bi)須(xu)保證100%無缺(que)陷才行。失效后若(ruo)采(cai)用脹(zhang)管(guan)(guan)(guan)修(xiu)復,由于(yu)腐蝕(shi)凹坑的(de)存在(zai),易(yi)再次失效。

1.2焊(han)接接頭

開(kai)槽(cao)(cao),槽(cao)(cao)間距和槽(cao)(cao)寬為8～9mm。這樣(yang),就使得管(guan)(guan)(guan)子與(yu)管(guan)(guan)(guan)板(ban)之(zhi)間的脹(zhang)接(jie)面積(ji)相對減少(shao),管(guan)(guan)(guan)板(ban)的厚度必須加大才能(neng)保(bao)證(zheng)連接(jie)可(ke)靠。而且,液壓脹(zhang)接(jie)對管(guan)(guan)(guan)孔及開(kai)槽(cao)(cao)的精度要(yao)求特(te)別嚴格。由于管(guan)(guan)(guan)板(ban)孔加工是大批量(liang)生產,必須保(bao)證(zheng)100%無缺陷才行。失(shi)效后若(ruo)采用脹(zhang)管(guan)(guan)(guan)修(xiu)復,由于腐蝕凹坑的存在,易再次失(shi)效。

1.2焊接(jie)接(jie)頭

這種(zhong)連接方(fang)式實現(xian)了焊接和(he)脹接的優(you)勢互補,具備抗反復(fu)熱(re)沖擊(ji)及腐蝕、提高接頭的抗疲(pi)勞性能和(he)消除間(jian)隙腐蝕等優(you)點。但(dan)是,脹焊并用(yong)時(shi)操作要求(qiu)高,一般(ban)用(yong)于操作條(tiao)件比較(jiao)苛刻的場合。

GB151-1999標準(zhun)中規定,對(dui)(dui)于(yu)設(she)計壓力小(xiao)于(yu)等于(yu)4MPa、設(she)計溫度(du)低于(yu)300℃的(de)換(huan)熱器(qi),可(ke)采(cai)(cai)用(yong)脹(zhang)(zhang)接(jie)結構(gou);對(dui)(dui)于(yu)振(zhen)動較小(xiao)和(he)無間隙腐(fu)蝕(shi)的(de)場合(he)(he),可(ke)采(cai)(cai)用(yong)焊(han)(han)接(jie)結構(gou);而對(dui)(dui)于(yu)密(mi)封(feng)性能要求(qiu)較高,承受振(zhen)動或疲勞載荷(he),有(you)間隙腐(fu)蝕(shi),采(cai)(cai)用(yong)復合(he)(he)管板的(de)場合(he)(he),應當(dang)采(cai)(cai)用(yong)脹(zhang)(zhang)焊(han)(han)結構(gou)。由此可(ke)見,單純(chun)脹(zhang)(zhang)接(jie)或焊(han)(han)接(jie)結構(gou)的(de)連接(jie)方式(shi)使用(yong)條件受到限制。由于(yu)脹(zhang)(zhang)焊(han)(han)并用(yong)結構(gou)能有(you)效(xiao)地阻尼管束振(zhen)動對(dui)(dui)焊(han)(han)口的(de)損傷、避免間隙腐(fu)蝕(shi),并且(qie)比單純(chun)脹(zhang)(zhang)接(jie)或焊(han)(han)接(jie)結構(gou)具(ju)有(you)更高的(de)強度(du)和(he)密(mi)封(feng)性,因而得到廣泛(fan)應用(yong)。目前對(dui)(dui)常規的(de)換(huan)熱器(qi)通常采(cai)(cai)用(yong)貼脹(zhang)(zhang)+強度(du)焊(han)(han)的(de)模式(shi);而重要的(de)或使用(yong)條件苛刻的(de)換(huan)熱器(qi)則(ze)要求(qiu)采(cai)(cai)用(yong)強度(du)脹(zhang)(zhang)+強度(du)焊(han)(han)的(de)模式(shi)。

2管束失效(xiao)

(1)管束腐蝕和腐蝕失效

換熱(re)器的(de)失效大多數是由腐(fu)(fu)蝕(shi)引(yin)起(qi)的(de)。最常見的(de)腐(fu)(fu)蝕(shi)部(bu)位是管子,其受腐(fu)(fu)蝕(shi)的(de)主要(yao)原(yuan)因有(you):流(liu)(liu)體為腐(fu)(fu)蝕(shi)性介質;管內(nei)(nei)壁有(you)異物(wu)積累而(er)(er)發生(sheng)局部(bu)腐(fu)(fu)蝕(shi);污垢腐(fu)(fu)蝕(shi);管內(nei)(nei)物(wu)料流(liu)(liu)速過大而(er)(er)發生(sheng)磨蝕(shi),流(liu)(liu)速過小(xiao)則異物(wu)易附著管壁,造成電(dian)位差(cha)而(er)(er)導致腐(fu)(fu)蝕(shi)等。解(jie)決措施(shi):合理選材(cai),選擇對(dui)介質適應(ying)的(de)材(cai)料;定期(qi)清(qing)洗管束(shu);在流(liu)(liu)體中(zhong)加入(ru)緩(huan)(huan)蝕(shi)劑;選擇適當流(liu)(liu)速;在流(liu)(liu)體入(ru)口設置過濾裝置和(he)緩(huan)(huan)沖結構等。

(2)傳熱能力(li)下(xia)降

在換熱器運(yun)行(xing)(xing)過程中(zhong),若工作(zuo)介(jie)質(zhi)(水)的(de)硬度較高,或流(liu)(liu)體(ti)中(zhong)含有顆(ke)粒(li)物(wu)、懸(xuan)浮物(wu),冷(leng)卻水中(zhong)有藻類、細菌、泥(ni)沙(sha)等(deng),都會導(dao)致管束內、外壁嚴重(zhong)結(jie)垢(gou)。隨著污(wu)(wu)(wu)垢(gou)層的(de)增(zeng)厚,傳熱熱阻(zu)很(hen)快增(zeng)大,嚴重(zhong)時污(wu)(wu)(wu)垢(gou)將會使工作(zuo)介(jie)質(zhi)的(de)流(liu)(liu)道阻(zu)塞,從而導(dao)致換熱能力(li)迅速降低。解決措施:充分(fen)掌握(wo)易污(wu)(wu)(wu)部位、致污(wu)(wu)(wu)物(wu)質(zhi)及污(wu)(wu)(wu)垢(gou)程度等(deng)有關(guan)情況,進行(xing)(xing)定期檢(jian)查;當流(liu)(liu)體(ti)很(hen)容易結(jie)垢(gou)時,必須采用容易檢(jian)查、拆卸和清(qing)理的(de)設備或結(jie)構。

(3)列(lie)管式換熱器(qi)

為了強化(hua)殼(ke)程(cheng)傳熱和減小(xiao)結垢,常采用提(ti)高殼(ke)程(cheng)流體(ti)流速的(de)方法(fa)。但殼(ke)程(cheng)流體(ti)流速的(de)提(ti)高往(wang)往(wang)導(dao)致(zhi)管(guan)(guan)束(shu)的(de)誘(you)導(dao)振(zhen)動(dong),換(huan)熱器(qi)頻(pin)繁開停也(ye)會導(dao)致(zhi)管(guan)(guan)束(shu)的(de)誘(you)導(dao)振(zhen)動(dong)。列管(guan)(guan)式換(huan)熱器(qi)制造時(shi),為了使管(guan)(guan)束(shu)安裝方便(bian),隔板上的(de)孔(kong)內(nei)徑比列管(guan)(guan)外(wai)徑大,這就不(bu)可避免地產生管(guan)(guan)子(zi)與隔板孔(kong)邊(bian)緣(yuan)反復碰撞的(de)現(xian)象。當(dang)管(guan)(guan)子(zi)材(cai)料硬(ying)度低于(yu)隔板材(cai)料硬(ying)度時(shi),這種碰撞的(de)結果(guo)就使得管(guan)(guan)子(zi)被(bei)(bei)磨損甚至被(bei)(bei)割斷,最終(zhong)使管(guan)(guan)束(shu)失效。

對于在(zai)線(xian)運行的(de)(de)(de)(de)(de)換熱器,當出入口(kou)的(de)(de)(de)(de)(de)條(tiao)件(jian)穩定時(shi)(shi),由(you)振(zhen)動(dong)(dong)產生的(de)(de)(de)(de)(de)管(guan)(guan)(guan)磨損(sun)(sun)(sun)速率也是(shi)一(yi)定的(de)(de)(de)(de)(de)。振(zhen)動(dong)(dong)磨損(sun)(sun)(sun)率隨(sui)管(guan)(guan)(guan)子(zi)與(yu)隔(ge)板(ban)(ban)孔之間(jian)間(jian)隙的(de)(de)(de)(de)(de)增(zeng)(zeng)加(jia)而(er)增(zeng)(zeng)加(jia),間(jian)隙與(yu)磨損(sun)(sun)(sun)率隨(sui)時(shi)(shi)間(jian)增(zeng)(zeng)長而(er)增(zeng)(zeng)大(da)(da);同時(shi)(shi),振(zhen)動(dong)(dong)磨損(sun)(sun)(sun)量隨(sui)管(guan)(guan)(guan)子(zi)振(zhen)動(dong)(dong)頻率及(ji)振(zhen)幅的(de)(de)(de)(de)(de)增(zeng)(zeng)加(jia)而(er)增(zeng)(zeng)加(jia),振(zhen)動(dong)(dong)磨損(sun)(sun)(sun)量的(de)(de)(de)(de)(de)增(zeng)(zeng)加(jia)使得(de)管(guan)(guan)(guan)子(zi)管(guan)(guan)(guan)壁(bi)變薄,當壁(bi)厚無法滿足強度要求時(shi)(shi),就會出現(xian)泄漏現(xian)象。解(jie)決措施:在(zai)管(guan)(guan)(guan)壁(bi)磨損(sun)(sun)(sun)到最小(xiao)壁(bi)厚前,將隔(ge)板(ban)(ban)平移(yi)一(yi)定距離,一(yi)般為20～30mm,使得(de)磨損(sun)(sun)(sun)在(zai)新的(de)(de)(de)(de)(de)位置(zhi)上(shang)重新開始。通常,對于換熱器的(de)(de)(de)(de)(de)隔(ge)板(ban)(ban)如果條(tiao)件(jian)允許,可(ke)以移(yi)位3～4次(ci),這樣就大(da)(da)大(da)(da)延(yan)長了管(guan)(guan)(guan)束(shu)的(de)(de)(de)(de)(de)使用壽命。此(ci)外,在(zai)流體(ti)入口(kou)前設置(zhi)緩沖(chong)板(ban)(ban),減少脈沖(chong);適當縮短折(zhe)流板(ban)(ban)間(jian)距,增(zeng)(zeng)大(da)(da)管(guan)(guan)(guan)壁(bi)厚度和折(zhe)流板(ban)(ban)厚度;折(zhe)流板(ban)(ban)上(shang)的(de)(de)(de)(de)(de)管(guan)(guan)(guan)孔與(yu)管(guan)(guan)(guan)子(zi)采用緊密配合,間(jian)隙不要過(guo)大(da)(da);相(xiang)鄰支撐板(ban)(ban)管(guan)(guan)(guan)孔有一(yi)定的(de)(de)(de)(de)(de)偏心距等,都可(ke)有效(xiao)消除流體(ti)誘導振(zhen)動(dong)(dong)。

(4)U形管式換熱(re)器

  對于奧氏體不銹鋼管(guan)束,由于換熱管(guan)冷(leng)彎時(shi)的(de)塑(su)性變形,在(zai)(zai)U形管(guan)彎管(guan)處外(wai)緣(yuan)存在(zai)(zai)著較(jiao)大的(de)殘余拉應(ying)力,同時(shi)U形管(guan)下(xia)直管(guan)段及彎管(guan)處存在(zai)(zai)著較(jiao)大的(de)因溫差產(chan)生的(de)拉應(ying)力,因此,U形管(guan)束在(zai)(zai)某些區域具備了產(chan)生應(ying)力腐蝕的(de)必要條件之一(yi)(構件處于拉應(ying)力狀態)。

  從管束(shu)的(de)工作環境(jing)來看,一般水(shui)中的(de)氯(lv)離子(zi)濃度小于0.1ppm,表面(mian)上看來并不具備產生(sheng)應(ying)力(li)腐(fu)蝕(shi)的(de)條(tiao)件(jian),但是考慮到水(shui)被不斷蒸發,其氯(lv)離子(zi)濃度會(hui)不斷增加(jia),這就存在了產生(sheng)應(ying)力(li)腐(fu)蝕(shi)的(de)可能(neng)性。經驗告訴我們,奧氏體不銹鋼在含有(you)2ppm的(de)氯(lv)化(hua)物的(de)水(shui)溶(rong)液中,在溫度小于200℃的(de)條(tiao)件(jian)下,即會(hui)發生(sheng)應(ying)力(li)開裂。因此管束(shu)具備了產生(sheng)應(ying)力(li)腐(fu)蝕(shi)的(de)另一個必要(yao)條(tiao)件(jian)。當(dang)材料處于拉應(ying)力(li)情況(kuang)下,又與腐(fu)蝕(shi)介(jie)(jie)質相接觸時,經過一段時間(jian)后,材料內部的(de)微裂紋在拉應(ying)力(li)及腐(fu)蝕(shi)介(jie)(jie)質的(de)雙(shuang)重作用下擴展,并發展到整個斷面(mian),從而引起應(ying)力(li)腐(fu)蝕(shi)開裂。

  對于因應(ying)(ying)力(li)(li)腐(fu)(fu)蝕(shi)開裂引起的(de)管束(shu)失(shi)效,有如下幾種預(yu)防及(ji)解決措施:通過熱處(chu)理消除和減少(shao)拉應(ying)(ying)力(li)(li);設計中(zhong)選(xuan)用低于臨界應(ying)(ying)力(li)(li)腐(fu)(fu)蝕(shi)破裂強度的(de)應(ying)(ying)力(li)(li)值;改進設計結(jie)構(gou),避免應(ying)(ying)力(li)(li)集中(zhong);管束(shu)表面(mian)施加(jia)壓(ya)應(ying)(ying)力(li)(li);采(cai)用電化學保護、涂料或緩蝕(shi)劑(ji)等;采(cai)用對應(ying)(ying)力(li)(li)腐(fu)(fu)蝕(shi)不(bu)敏感的(de)材料,如0Cr18Ni12Mo2Ti。

  目(mu)前,雖(sui)然管殼式換(huan)熱(re)(re)(re)器(qi)的(de)(de)發展取得了巨(ju)大進(jin)步(bu),但制(zhi)約管殼式換(huan)熱(re)(re)(re)器(qi)安全長(chang)周期使(shi)用(yong)的(de)(de)關鍵問(wen)題(ti)仍有待于進(jin)一(yi)(yi)步(bu)研(yan)究。例如:(1)長(chang)周期運行時的(de)(de)腐(fu)蝕與(yu)(yu)防(fang)腐(fu)問(wen)題(ti)以及防(fang)腐(fu)材料的(de)(de)研(yan)究。(2)強化(hua)傳熱(re)(re)(re)技術與(yu)(yu)傳熱(re)(re)(re)元件的(de)(de)研(yan)究開(kai)發,減少(shao)結垢、易于清洗,以及進(jin)一(yi)(yi)步(bu)提高傳熱(re)(re)(re)性(xing)能(neng)、流體(ti)力(li)學性(xing)能(neng)和抗振性(xing)能(neng)的(de)(de)研(yan)究。(3)研(yan)究更為(wei)可靠(kao)的(de)(de)制(zhi)造方法,以有效(xiao)保證換(huan)熱(re)(re)(re)管與(yu)(yu)管板連接的(de)(de)質量。