换热器管束失效分析方法与应用研究
换热器在石油化工、盐化工、煤化工以及热电厂等工业系统中的使用量非常大，由于换热器管束接触的介质较复杂，具有高压、高温、强腐蚀、高流速等特点，常出现腐蚀泄漏和冲刷泄漏。
各种腐蚀和泄漏都有着直接或间接的关系。
管束是换热器中最容易损坏的部件之一。
管束失效的主要形式有管子开裂泄露、传热能力下降、流体输送动力增加和产生噪音等。
存在以下三种诱导因素：腐蚀、振动和结垢。
本文基于换热器管束失效的基本理论，设计换热器管束失效分析的思路及程序。
通过分析发现，E1117A和E1117B碳钢管束换热器腐蚀类型主要有三种，一种为管体外壁的均匀腐蚀；另二种为管体内壁的点蚀和垢下腐蚀。
其中，管体内壁的点蚀造成了管体泄漏。
换热器泄漏的主要原因为管体内壁涂层存在质量问题而导致管体内壁发生点蚀穿孔。
并针对失效原因提出了建议措施。
通过本文的分析，对指导实际生产中换热器管束的失效分析与预防因腐蚀引起的事故发生，具有一定的工程应用价值。
标签：换热器；管束失效；分析
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失效，如管程泄露、传热能力下降、流体输送动力增加、产生噪声等情况，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失效故障的50%以上。
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。
而局部腐蚀是难以预测的，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：
①应力腐蚀。
主要发生在拉应力区和特定介质条件下。
管束易发生的应力腐蚀的部位有：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；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；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。
②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：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；管子
和折流板之间存在间隙，容易引起缝隙腐蚀；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。
③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。
1.2 腐蚀防护措施
①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；
②开停车时，控制好温度升降速度，避免产生过大的温差应力；
③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；
④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；
⑤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。
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形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
①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，位于管柬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；
②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；
③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；
④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，位子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
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：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；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法，但现实意义不大；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；管子的材料要比折流板材料硬度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；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；检修时，可适当调整折流板位置，避免管子的重复磨损。
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。
污垢的导热性差，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。
污垢的类型及防范措施：
3.1 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；
3.2 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；
3.3 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。
3.4 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。
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：
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[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.。
