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在各種換熱器中,鋼制管殼式換熱器以其結(jié)構(gòu)堅固、可靠性高、適應(yīng)性強等優(yōu)點在換熱器的生產(chǎn)和使用中一直占主導(dǎo)地位。但由于其結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和使用條件的多樣性,換熱器常出現(xiàn)多種形式的失效。從結(jié)構(gòu)上分析,易發(fā)生失效的部位是管子和管板的連接處;從受力角度分析,筒體和管板的焊縫易引起失效;從使用條件分析,熱應(yīng)力或附加應(yīng)力、工作介質(zhì)的腐蝕性、換熱管的振動等,都會造成換熱器局部或整體失效。
1管子與管板的連接失效
根據(jù)換熱器使用條件的不同,管子與管板的連接接頭形式可分為脹接、焊接和脹焊并用三種。接頭形式不同,失效形式也有差異。
1.1脹接
(1)機械脹接
這種連接易使換熱管產(chǎn)生過脹或欠脹,換熱管內(nèi)壁易產(chǎn)生加工硬化,換熱管與管板的連接處在其整個連接的長度上應(yīng)力分布不均勻。在溫差變化和應(yīng)力的作用下,只要有微小的加工缺陷,如管孔縱向劃痕,腐蝕介質(zhì)的微量侵入就會使換熱管與管板的連接失效。若發(fā)現(xiàn)不及時,殼程冷卻水滲入管程后,會引起大片管子與管板的連接失效,此時修復(fù)就比較困難。
(2)液壓脹接
液壓脹接時管子不易產(chǎn)生過脹,脹接部位不產(chǎn)生竄動,管子與管板連接處在整個長度上的應(yīng)力分布是均勻的。根據(jù)液壓脹接原理及GB151-1999規(guī)定,為保證脹接時管板與管束連接的可靠性,脹接時管板應(yīng)開槽,槽間距和槽寬為8～9mm。這樣,就使得管子與管板之間的脹接面積相對減少,管板的厚度必須加大才能保證連接可靠。而且,液壓脹接對管孔及開槽的精度要求特別嚴格。由于管板孔加工是大批量生產(chǎn),必須保證100%無缺陷才行。失效后若采用脹管修復(fù),由于腐蝕凹坑的存在,易再次失效。
1.2焊接接頭
開槽,槽間距和槽寬為8～9mm。這樣,就使得管子與管板之間的脹接面積相對減少,管板的厚度必須加大才能保證連接可靠。而且,液壓脹接對管孔及開槽的精度要求特別嚴格。由于管板孔加工是大批量生產(chǎn),必須保證100%無缺陷才行。失效后若采用脹管修復(fù),由于腐蝕凹坑的存在,易再次失效。
1.2焊接接頭
這種連接方式實現(xiàn)了焊接和脹接的優(yōu)勢互補,具備抗反復(fù)熱沖擊及腐蝕、提高接頭的抗疲勞性能和消除間隙腐蝕等優(yōu)點。但是,脹焊并用時操作要求高,一般用于操作條件比較苛刻的場合。
GB151-1999標準中規(guī)定,對于設(shè)計壓力小于等于4MPa、設(shè)計溫度低于300℃的換熱器,可采用脹接結(jié)構(gòu);對于振動較小和無間隙腐蝕的場合,可采用焊接結(jié)構(gòu);而對于密封性能要求較高,承受振動或疲勞載荷,有間隙腐蝕,采用復(fù)合管板的場合,應(yīng)當采用脹焊結(jié)構(gòu)。由此可見,單純脹接或焊接結(jié)構(gòu)的連接方式使用條件受到限制。由于脹焊并用結(jié)構(gòu)能有效地阻尼管束振動對焊口的損傷、避免間隙腐蝕,并且比單純脹接或焊接結(jié)構(gòu)具有更高的強度和密封性,因而得到廣泛應(yīng)用。目前對常規(guī)的換熱器通常采用貼脹+強度焊的模式;而重要的或使用條件苛刻的換熱器則要求采用強度脹+強度焊的模式。
2管束失效
(1)管束腐蝕和腐蝕失效
換熱器的失效大多數(shù)是由腐蝕引起的。最常見的腐蝕部位是管子,其受腐蝕的主要原因有:流體為腐蝕性介質(zhì);管內(nèi)壁有異物積累而發(fā)生局部腐蝕;污垢腐蝕;管內(nèi)物料流速過大而發(fā)生磨蝕,流速過小則異物易附著管壁,造成電位差而導(dǎo)致腐蝕等。解決措施:合理選材,選擇對介質(zhì)適應(yīng)的材料;定期清洗管束;在流體中加入緩蝕劑;選擇適當流速;在流體入口設(shè)置過濾裝置和緩沖結(jié)構(gòu)等。
(2)傳熱能力下降
在換熱器運行過程中,若工作介質(zhì)(水)的硬度較高,或流體中含有顆粒物、懸浮物,冷卻水中有藻類、細菌、泥沙等,都會導(dǎo)致管束內(nèi)、外壁嚴重結(jié)垢。隨著污垢層的增厚,傳熱熱阻很快增大,嚴重時污垢將會使工作介質(zhì)的流道阻塞,從而導(dǎo)致?lián)Q熱能力迅速降低。解決措施:充分掌握易污部位、致污物質(zhì)及污垢程度等有關(guān)情況,進行定期檢查;當流體很容易結(jié)垢時,必須采用容易檢查、拆卸和清理的設(shè)備或結(jié)構(gòu)。
(3)列管式換熱器
為了強化殼程傳熱和減小結(jié)垢,常采用提高殼程流體流速的方法。但殼程流體流速的提高往往導(dǎo)致管束的誘導(dǎo)振動,換熱器頻繁開停也會導(dǎo)致管束的誘導(dǎo)振動。列管式換熱器制造時,為了使管束安裝方便,隔板上的孔內(nèi)徑比列管外徑大,這就不可避免地產(chǎn)生管子與隔板孔邊緣反復(fù)碰撞的現(xiàn)象。當管子材料硬度低于隔板材料硬度時,這種碰撞的結(jié)果就使得管子被磨損甚至被割斷,最終使管束失效。
對于在線運行的換熱器,當出入口的條件穩(wěn)定時,由振動產(chǎn)生的管磨損速率也是一定的。振動磨損率隨管子與隔板孔之間間隙的增加而增加,間隙與磨損率隨時間增長而增大;同時,振動磨損量隨管子振動頻率及振幅的增加而增加,振動磨損量的增加使得管子管壁變薄,當壁厚無法滿足強度要求時,就會出現(xiàn)泄漏現(xiàn)象。解決措施:在管壁磨損到最小壁厚前,將隔板平移一定距離,一般為20～30mm,使得磨損在新的位置上重新開始。通常,對于換熱器的隔板如果條件允許,可以移位3～4次,這樣就大大延長了管束的使用壽命。此外,在流體入口前設(shè)置緩沖板,減少脈沖;適當縮短折流板間距,增大管壁厚度和折流板厚度;折流板上的管孔與管子采用緊密配合,間隙不要過大;相鄰支撐板管孔有一定的偏心距等,都可有效消除流體誘導(dǎo)振動。
(4)U形管式換熱器
對于奧氏體不銹鋼管束,由于換熱管冷彎時的塑性變形,在U形管彎管處外緣存在著較大的殘余拉應(yīng)力,同時U形管下直管段及彎管處存在著較大的因溫差產(chǎn)生的拉應(yīng)力,因此,U形管束在某些區(qū)域具備了產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕的必要條件之一(構(gòu)件處于拉應(yīng)力狀態(tài))。
從管束的工作環(huán)境來看,一般水中的氯離子濃度小于0.1ppm,表面上看來并不具備產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕的條件,但是考慮到水被不斷蒸發(fā),其氯離子濃度會不斷增加,這就存在了產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕的可能性。經(jīng)驗告訴我們,奧氏體不銹鋼在含有2ppm的氯化物的水溶液中,在溫度小于200℃的條件下,即會發(fā)生應(yīng)力開裂。因此管束具備了產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕的另一個必要條件。當材料處于拉應(yīng)力情況下,又與腐蝕介質(zhì)相接觸時,經(jīng)過一段時間后,材料內(nèi)部的微裂紋在拉應(yīng)力及腐蝕介質(zhì)的雙重作用下擴展,并發(fā)展到整個斷面,從而引起應(yīng)力腐蝕開裂。
對于因應(yīng)力腐蝕開裂引起的管束失效,有如下幾種預(yù)防及解決措施:通過熱處理消除和減少拉應(yīng)力;設(shè)計中選用低于臨界應(yīng)力腐蝕破裂強度的應(yīng)力值;改進設(shè)計結(jié)構(gòu),避免應(yīng)力集中;管束表面施加壓應(yīng)力;采用電化學(xué)保護、涂料或緩蝕劑等;采用對應(yīng)力腐蝕不敏感的材料,如0Cr18Ni12Mo2Ti。
目前,雖然管殼式換熱器的發(fā)展取得了巨大進步,但制約管殼式換熱器安全長周期使用的關(guān)鍵問題仍有待于進一步研究。例如:(1)長周期運行時的腐蝕與防腐問題以及防腐材料的研究。(2)強化傳熱技術(shù)與傳熱元件的研究開發(fā),減少結(jié)垢、易于清洗,以及進一步提高傳熱性能、流體力學(xué)性能和抗振性能的研究。(3)研究更為可靠的制造方法,以有效保證換熱管與管板連接的質(zhì)量。