11热交换器的定期检验
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内容提要
1.热交换器概述
2.热交换器的特点
3.管壳式热交换器的失效模式
4.管壳式热交换器检验研究
5.热交换器检验展望
1.热交换器概述
1.1 什么是热交换器
1.2 热交换器中的压力容器
1.3 热交换器定期检验存在的问题
1.1 什么是热交换器
热交换器（heat exchanger）是一种在不同温度的介质之间实现热量传递的设备。
我们这里所说的热交换器原来使用换热器这一名称，GB/T151在2014版中将名称由管壳式换热器改为热交换器。热交换器的范围比换热器更加广泛。热交换器这一行业还在飞速发展，在这一领域中，总是会有新的概念产生。
GB/T 7635.1-2002《全国主要产品分类与代码 第一部分：可运输产品》中代码为43911.151
1.间壁式换热器共有6类22种（43911.151）
1）管壳式换热器：固定管板式、浮头式、U型管式、填料函式、外导流筒式、折流杆式、螺纹管式、板杆式、双壳程式、釜式；
2）套管（双套管）换热器；
3）蛇管式换热器：沉浸式、喷淋式；
4）紧凑式换热器：垫片式、半焊式、板式全焊式、螺旋板式、板翅式、伞板式、板壳式；
5）特殊式热交换器：双套管式；
6）空气预热器。
1.2 热交换器中的压力容器
（1）工作压力大于或者等于0.1MPa；
（2）容积大于等于0.03 m3且内直径（非圆形截面指截面内边界最大几何尺寸）大于等于150mm；
（3）盛装介质为气体、液化气体以及介质最高工作温度高于或者等于其标准沸点的液体。
不在容规监管范围的热交换器
铝制板翅式热交换器
第二组介质的无壳体的套管热交换器、螺旋板热交换器
超高压管式反应器
*可拆卸垫片式板式热交换器（包括半焊式板式热交换器）、空冷式热交换器、冷却排管、钎焊板式热交换器
*常压容器的蒸汽加热盘管
热交换器产品产值结构
产品分类 比例 具体类型 细分比例 行业产品结构
换热压力容器 60% 管壳式热交换器
螺旋板式、板壳式
及其它热压力容器 90%
10% 54%
6%
非压力容器热
交换器 40% 板式热交换器
空冷式热交换器
板翅式热交换器 70%
15%
15% 28%
6%
6%
1.3 热交换器定期检验存在的问题
管壳式热交换器在压力容器热交换器中占绝大多数，这里我们将对管壳式热交换器的检验进行讨论。
对于特种设备检验员来说，热交换器的检验目的就是为了满足《固容规》的管理要求。下面我们罗列了管壳式热交换器检验中存在的几个问题。 后面我们将围绕这几个问题展开讨论。
压力容器本体中的主要受压元件，包括筒节（含变径段）、球壳板、非圆形容器的壳板、封头、平盖、膨胀节、设备法兰，换热器的管板和换热管，M36以上（含M36）螺柱以及公称直径大于或者等于250mm的接管和管法兰。
热交换器的管板和换热管很难通过检验给出安全状况等级。
热交换器定期检验存在的问题
一、热交换器的管板和换热管很难通过检验给出安全状况等级。
二、热交换器管束的新检测技术没能很好的在定期检验中应用。
三、热交换器的泄漏检测往往被检验员所忽视。
关于热交换器管束的定期检验目前还没有全面的描述文章。或者说是没有能够说清楚的文章。只有API
RP 572《压力容器检验》中有所描述。我国油标委将其翻译成为SY/T6552-2003《石油工业在用压力容器检验的推荐做法》。其中在资料性附录C中提到了几种热交换器的检验。
管束检验的第一步是通过外观检验建立腐蚀模型。其中叙述了外观检验中应注意的问题，并提到抽出管子确定其寿命。介绍了管壳式热交换器的易腐蚀部位。但是如何确定管束及管板的安全状况等级的问题还是没有任何程度的解决，同时对于如何建立腐蚀模型，如何确定管子寿命也没有进一步的说明。
2.热交换器的特点
一、所有热交换器都至少有两程
也就是说至少有两种以上的介质在各自的封闭空间内流动。
二、管束比壳体更脆弱
管束比壳体失效的概率更大。由于管束大多都在壳体的包封内，所以管束的失效所带来的火灾及爆炸等风险不如壳体明显。
三、在工艺装置中，如果不考虑定期检验的需要，热交换器是停工检修中打开几率最高的工艺设备。同时也是对工艺装置运行状态反映信息最多的设备。
四、热交换器在静设备中是造成非计划停工最多的工艺设备。
五、热交换器还是目前特种设备中社会服务程度比较低的，同时也是用户服务需求比较高的工艺设备。
3.管壳式热交换器的失效模式
3.1 热交换器壳体的失效模式
热交换器壳程的失效模式及特点与压力容器无根本区别，在其它课程中也有所描述，这里不再赘述。
这里我们要强调的是密封面泄漏的问题。最近出过的几起重大热交换器事故都是由热交换器密封面失效造成的。我参与处理的事故就有四起。
热交换器泄漏检测由谁来负责？
3.2 管壳式热交换器管束的失效模式
我们在这里主要讨论一下管束的失效模式。关于热交换器管束失效分析类的文章很多，但是目前没有将哪一篇文章将热交换器管束的失效模式系统地归纳起来。许多篇文章中试图将这一问题描述清楚，但是都没有达到理想的效果。
在这里我只能就我所认识的管束失效模式进行讨论。
一、温差应力
由于热交换器的工艺特性是两种以上的介质进行热量交换，因此在热交换器中温度差是不可避免的。在设计时必须对此充分考虑，不能因温差应力造成热交换器的损坏。
但是因温差造成热交换器损坏的案例时有发生，主要体现在管板开裂、管头开裂和密封面泄漏等三个方面。在热交换器检验中如果发现这三个现象，则应考虑温差应力的问题。
二、腐蚀与应力腐蚀
腐蚀与应力腐蚀是热交换器管束失效的常见问题，在这一方面的研究文章很多，但是没有哪个专家能够将这一问题全面的阐述清楚。这也就是API572要求通过外观检验建立腐蚀模型的原因之一。
我们知道影响腐蚀的因素有材料、温度、压力、介质中的有害元素含量、介质的pH值及介质的流速等六个基本要素。首先这六个维度的组合就非常复杂。
我认为对于管壳式热交换器管束的失效研究首先要对热交换器的失效类型及失效风险分类，根据分类建立各个类型的失效模型，根据模型决定检验方法。这样就能解决管壳式热交换器管束安全性能等级的问题。
4.管壳式热交换器检验研究
所有管壳式的热交换器都是由筒体（外壳），管箱（封头）、管板和管束组成的。目前绝大多数检验机构在实施热交换器检验时都仅对筒体和封头进行检验，这一部分的检验技术与普通压力容器的检验没有区别，具体方法可参考《换热器》一书。
在检验中要特别注意密封面的检验，泄漏试验要采取可靠的试验方法。比如热态泄漏试验等。
管壳式热交换器的管板和管束的检验，是目前正在研究的问题。相对于现有的认识来说，确定其安全状况等级要面对许多不确定因素。
4.1 管束的检验过程及存在的问题
一、资料审查
两种物流的进出口温度差决定了热交换器的温差程度。什么样的温度变化能够影响管束的完整性呢？到影响腐蚀的因素大致有材料、温度、压力、介质中的有害元素含量、介质的pH值及介质的流速等六个基本要素。变化到什么程度才能对管束的腐蚀造成显著地影响呢？
二、检验前的准备
实施检验前热交换器是否要打开？
保温是否要拆除？
如果我们无法对管束的安全状况等级下任何结论，那么打开热交换器还有什么意义呢？
打开后还会增加泄漏风险，大多热交换器泄漏事故都是检修后开工时因密封面的泄漏引起的。 三、宏观检验
在API RP 572中提出通过对管束的外观检验建立腐蚀模型，前面也反复提到建立腐蚀模型的问题。
腐蚀模型确定外观检验。
腐蚀调查就是在装置检修时对打开的部位进行一次全面的目视检测，包括部分热交换器。但是这一检测方法经过进一步的深入研究，一定会成为承压类特种设备检验的发展方向之一。
四、无损检测
目前可应用于热交换器管束检验的无损检测方法有很多，比如涡流检测，旋转超声检测、漏磁检测及管头的射线检测等等，随着时间的推移还会有更多的无损检测方法发明出来。可是这些方法用于管束检测后能否得到有效的安全状况等级就没有定论了。
五、泄漏检测
前面讲过，热交换器的泄漏检测是一个在检验过程中容易忽略的问题，但又是引起热交换器事故最多的问题。热交换器的泄漏试验由谁来做？如何做？就是一个不得不认真研究的问题了。
4.2 管束检验问题的解决方案
彻底解决热交换器管束的检验问题并不是不可能，目前我们检验工作者对热交换器检验的研究已经相当多。下面我们系统地梳理一下需要解决的主要问题：
1）管壳式热交换器风险分类
2）分类建立管壳式热交换器失效模型
3）热交换器运行条件与失效的关系研究
4）检验方法针对失效的有效性研究
5）热交换器的泄漏检测研究
1）管壳式热交换器基于风险的分类可结合大数据的概念来完成，在这里要充分考虑热交换器的停工风险。现有的热交换器失效分析的文章很多，失效的案例也很多，但是缺乏系统的整理。如果能够对相当数量的样本进行统计和归纳，完全能够完成管壳式热交换器的风险分类。
解决了分类的问题，后面的四个问题就都容易解决了。
2）建立腐蚀模型应该在风险分类的基础上进行。
腐蚀模型应考虑停用、开工、运行、停工、检修、修理等各个工况。
腐蚀模型要充分体现材料、温度、压力、介质中的有害元素含量、介质的pH值及介质的流速等六个基本要素对腐蚀和应力腐蚀的作用及其基本影响。
3）热交换器运行条件与失效的关系研究案例
热交换器的运行条件与失效的关联关系对决定热交换器的安全状况等级有着直接的关系，国外这方面
