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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(jiān)固、可靠性高、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)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(dòng)等,都會(huì)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(jī)械脹接
這種連接易使換熱管產(chǎn)生過(guò)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(gè)連接的長(zhǎng)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(huì)使換熱管與管板的連接失效。若發(fā)現(xiàn)不及時(shí),殼程冷卻水滲入管程后,會(huì)引起大片管子與管板的連接失效,此時(shí)修復(fù)就比較困難。
(2)液壓脹接
液壓脹接時(shí)管子不易產(chǎn)生過(guò)脹,脹接部位不產(chǎn)生竄動(dòng),管子與管板連接處在整個(gè)長(zhǎng)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(shí)管板與管束連接的可靠性,脹接時(shí)管板應(yīng)開(kāi)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(duì)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(duì)管孔及開(kāi)槽的精度要求特別嚴(yán)格。由于管板孔加工是大批量生產(chǎn),必須保證100%無(wú)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(kāi)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(duì)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(duì)管孔及開(kāi)槽的精度要求特別嚴(yán)格。由于管板孔加工是大批量生產(chǎn),必須保證100%無(wú)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(shí)現(xiàn)了焊接和脹接的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ),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(diǎn)。但是,脹焊并用時(shí)操作要求高,一般用于操作條件比較苛刻的場(chǎng)合。
GB151-1999標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定,對(duì)于設(shè)計(jì)壓力小于等于4MPa、設(shè)計(jì)溫度低于300℃的換熱器,可采用脹接結(jié)構(gòu);對(duì)于振動(dòng)較小和無(wú)間隙腐蝕的場(chǎng)合,可采用焊接結(jié)構(gòu);而對(duì)于密封性能要求較高,承受振動(dòng)或疲勞載荷,有間隙腐蝕,采用復(fù)合管板的場(chǎng)合,應(yīng)當(dāng)采用脹焊結(jié)構(gòu)。由此可見(jiàn),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(dòng)對(duì)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(qiáng)度和密封性,因而得到廣泛應(yīng)用。目前對(duì)常規(guī)的換熱器通常采用貼脹+強(qiáng)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(qiáng)度脹+強(qiáng)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(jiàn)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(guò)大而發(fā)生磨蝕,流速過(guò)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(duì)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(dāng)流速;在流體入口設(shè)置過(guò)濾裝置和緩沖結(jié)構(gòu)等。
(2)傳熱能力下降
在換熱器運(yùn)行過(guò)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(xì)菌、泥沙等,都會(huì)導(dǎo)致管束內(nèi)、外壁嚴(yán)重結(jié)垢。隨著污垢層的增厚,傳熱熱阻很快增大,嚴(yán)重時(shí)污垢將會(huì)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(jìn)行定期檢查;當(dāng)流體很容易結(jié)垢時(shí),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(qiáng)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(dòng),換熱器頻繁開(kāi)停也會(huì)導(dǎo)致管束的誘導(dǎo)振動(dòng)。列管式換熱器制造時(shí),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(dāng)管子材料硬度低于隔板材料硬度時(shí),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(duì)于在線運(yùn)行的換熱器,當(dāng)出入口的條件穩(wěn)定時(shí),由振動(dòng)產(chǎn)生的管磨損速率也是一定的。振動(dòng)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(shí)間增長(zhǎng)而增大;同時(shí),振動(dòng)磨損量隨管子振動(dòng)頻率及振幅的增加而增加,振動(dòng)磨損量的增加使得管子管壁變薄,當(dāng)壁厚無(wú)法滿足強(qiáng)度要求時(shí),就會(huì)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(kāi)始。通常,對(duì)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(zhǎng)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(dāng)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(guò)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(dòng)。
(4)U形管式換熱器
對(duì)于奧氏體不銹鋼管束,由于換熱管冷彎時(shí)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(shí)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(lái)看,一般水中的氯離子濃度小于0.1ppm,表面上看來(lái)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(huì)不斷增加,這就存在了產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕的可能性。經(jīng)驗(yàn)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(huì)發(fā)生應(yīng)力開(kāi)裂。因此管束具備了產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕的另一個(gè)必要條件。當(dāng)材料處于拉應(yīng)力情況下,又與腐蝕介質(zhì)相接觸時(shí),經(jīng)過(guò)一段時(shí)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(kuò)展,并發(fā)展到整個(gè)斷面,從而引起應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂。
對(duì)于因應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂引起的管束失效,有如下幾種預(yù)防及解決措施:通過(guò)熱處理消除和減少拉應(yīng)力;設(shè)計(jì)中選用低于臨界應(yīng)力腐蝕破裂強(qiáng)度的應(yīng)力值;改進(jìn)設(shè)計(jì)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(hù)、涂料或緩蝕劑等;采用對(duì)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(jìn)步,但制約管殼式換熱器安全長(zhǎng)周期使用的關(guān)鍵問(wèn)題仍有待于進(jìn)一步研究。例如:(1)長(zhǎng)周期運(yùn)行時(shí)的腐蝕與防腐問(wèn)題以及防腐材料的研究。(2)強(qiáng)化傳熱技術(shù)與傳熱元件的研究開(kāi)發(fā),減少結(jié)垢、易于清洗,以及進(jìn)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。