管壳式换热器泄漏原因分析及改进设计思路
摘要：分析管壳式换热器的泄漏现象，提出折流板与铜管之间存在微小间隙，在压缩空气的冲刷下，两者之间频繁的碰撞和摩擦，导致铜管壁破裂泄漏。文章还提出了在铜管与管板之间增加耐磨的聚四氟乙烯套管，来保护换热铜管的设计思路。
关键词：管壳式换热器；泄漏；分析；改进设计
1 故障现象
压缩空气是卷烟生产企业的必要动力之一，淮阴卷烟厂动力中心站房内安装使用压空设备是4台水冷式BOGE SO340无油螺杆空压机。设备于2001年投用，状态一直比较平稳，但近期却多次发生冷却器内漏的情况。其中一台冷却器漏水，由于发现不及时，导致冷却水进入了压缩机腔体，造成Ⅱ级转子抱死的严重情况，由于故障出现的较有规律性，因此对其进行了相关的调查和分析，并提出了一些改进建议，供同行借鉴。
2 泄漏原因调查
(1)冷却器的基本结构及有关参数BOGE SO340无油螺杆空压机为两级压缩，配置的冷却器为两回程管壳式换热器(结构见图1)，冷却水走管程，压缩空气走壳程，换热器主要部件为紫铜管，管径8 mm，壁厚1 mm，共计232根换热管。
冷却器中冷却水进口温度在25—32℃之间(冬夏季有所差异)，出口温度小于38℃，压缩空气出口温度在180—195℃之间，I级压缩出口压力在2 bar左右，Ⅱ级出口压力在7．0—7．5 bar之间。
(2)故障调查
通过对发生泄漏的4台换热器进行检漏，发现泄漏点多分布在换热器上部，即靠近压缩空气进口侧位置(如图1所示)，共计有5处漏点，其中1位置处有2根管有漏点，2位置处有2根管有漏点，3位置处有1根管有漏点。进一步检查发现，漏点基本都分布在折流板与铜管接触的地方，5处漏点中有3处为局部穿孔泄漏，2处为局部裂纹泄漏，用手对换热铜管施加外力，发现上部的铜管有轻微的松动，铜管与折流板之间有擦痕，下部的铜管无此现象。
3 泄漏原因分析
(1)发生泄漏的部位多发生在冷却器的上部，此处是压缩空气出口与换热器接触的位置。由于压缩空气的出口温度(180—195℃)较高，因此换热器上部的铜管外壁温度也最高，机组长期运行特别是重载运行的时候，容易造成铜管受热，机械强度下降。但管壳式换热器的结构形式决定了这种情况是难以克服的。具体机械强度的影响有多大，难以准确判断，这里只能作定性分析。笔者认为对于本案例，这只是导致泄漏的一个次要原因。
(2)管壳式换热器在加工工艺中，换热铜管被穿过两头的管板和中间的折流板，然后用机械涨管的方法将铜管与管板固定。折流板和铜管之间为了穿管方便，一般折流板的孔洞都会留有公差配合，这就使得折流板与铜管之间存在一定的间隙(见图
2)，也就是说折流板和铜管之间实际上是松动的。当空压机重载运行时，被压缩的高温(180—195℃)高速(查设备手册，压缩空气出口速度在10．6 m／s)空气进入换热器后持续的冲刷铜管，由于铜管两端是固定的，压缩空气的冲击力作用在铜管上，导致铜管受力扰动变形；
当空压机空载运行时，空气进口阀门关闭，没有压缩空气进入冷却器，铜管的受力消失，铜管恢复原状；当空压机频繁加卸载时，铜管就会交替出现受力变形和恢复原状的变化过程，这就会引起铜管与折流板之间的不停的碰撞和摩擦。长时间的刚性碰撞和摩擦导致与折流板接触部位的铜管壁逐渐变薄，从而导致局部穿孔或裂缝，使泄漏现象产生。因此折流板与铜管之间碰撞、摩擦是造成换热管局部泄漏的主要原因。
4 改进设计思路
通过上面分析，我们知道折流板与铜管接触的地方是受力比较集中的地方，其刚性的碰撞和摩擦是导致泄漏的主要原因，因此解决泄漏问题的关键是降低或避免折流板和铜管之间的刚性接触。根据上述思路，本文提出在换热铜管与折流板接触的地方增加一层耐摩擦的保护套管的设计思路，一方面可以将折流板与铜管隔离开来(见图3)，减少了金属之间的直接接触，另外由于保护套管为塑性材料，也可以减少铜管和折流板之间的间隙，从而实现保护换热铜管的目的。
在加工工艺上，宜对折流板的孔洞做倒角钝化处理，以减少其棱边对保护套管的摩擦。在套管材料的选择上，可以考虑用聚四氟乙烯材料，因为其满足了以下一些条件：
(I)具有足够的强度和耐磨性，能够满足正常使用的需要；
(2)能够耐受高温，在冷却水断水的极限情况下，铜管壁温度可能达到200oC，而聚四氟乙烯材料可以在250oC以下温度时保证强度和性能不下降；
(3)成型性好，加工方便。综匕所述，采用套管保护的方法在技术上是可行的，可作为管壳式换热器的一种改进设计方法加以参考。
