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在各種換熱器中,鋼制管殼式換熱器以其結構堅固、可靠性高、適應性強等優點在換熱器的生產和使用中一直占主導地位。但由于其結構的復雜性和使用條件的多樣性,換熱器常出現多種形式的失效。從結構上分析,易發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,熱應力或附加應力、工作介質的腐蝕性、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生過脹或欠脹,換熱管內壁易產生加工硬化,換熱管與管板的連接處在其整個連接的長度上應力分布不均勻。在溫差變化和應力的作用下,只要有微小的加工缺陷,如管孔縱向劃痕,腐蝕介質的微量侵入就會使換熱管與管板的連接失效。若發現不及時,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,此時修復就比較困難。
(2)液壓脹接
液壓脹接時管子不易產生過脹,脹接部位不產生竄動,管子與管板連接處在整個長度上的應力分布是均勻的。根據液壓脹接原理及GB151-1999規定,為保證脹接時管板與管束連接的可靠性,脹接時管板應開槽,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,必須保證100%無缺陷才行。失效后若采用脹管修復,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,必須保證100%無缺陷才行。失效后若采用脹管修復,由于腐蝕凹坑的存在,易再次失效。
1.2焊接接頭
這種連接方式實現了焊接和脹接的優勢互補,具備抗反復熱沖擊及腐蝕、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標準中規定,對于設計壓力小于等于4MPa、設計溫度低于300℃的換熱器,可采用脹接結構;對于振動較小和無間隙腐蝕的場合,可采用焊接結構;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,采用復合管板的場合,應當采用脹焊結構。由此可見,單純脹接或焊接結構的連接方式使用條件受到限制。由于脹焊并用結構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構具有更高的強度和密封性,因而得到廣泛應用。目前對常規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;管內壁有異物積累而發生局部腐蝕;污垢腐蝕;管內物料流速過大而發生磨蝕,流速過小則異物易附著管壁,造成電位差而導致腐蝕等。解決措施:合理選材,選擇對介質適應的材料;定期清洗管束;在流體中加入緩蝕劑;選擇適當流速;在流體入口設置過濾裝置和緩沖結構等。
(2)傳熱能力下降
在換熱器運行過程中,若工作介質(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,都會導致管束內、外壁嚴重結垢。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的流道阻塞,從而導致換熱能力迅速降低。解決措施:充分掌握易污部位、致污物質及污垢程度等有關情況,進行定期檢查;當流體很容易結垢時,必須采用容易檢查、拆卸和清理的設備或結構。
(3)列管式換熱器
為了強化殼程傳熱和減小結垢,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致管束的誘導振動,換熱器頻繁開停也會導致管束的誘導振動。列管式換熱器制造時,為了使管束安裝方便,隔板上的孔內徑比列管外徑大,這就不可避免地產生管子與隔板孔邊緣反復碰撞的現象。當管子材料硬度低于隔板材料硬度時,這種碰撞的結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,當出入口的條件穩定時,由振動產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,就會出現泄漏現象。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力,同時U形管下直管段及彎管處存在著較大的因溫差產生的拉應力,因此,U形管束在某些區域具備了產生應力腐蝕的必要條件之一(構件處于拉應力狀態)。
從管束的工作環境來看,一般水中的氯離子濃度小于0.1ppm,表面上看來并不具備產生應力腐蝕的條件,但是考慮到水被不斷蒸發,其氯離子濃度會不斷增加,這就存在了產生應力腐蝕的可能性。經驗告訴我們,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,即會發生應力開裂。因此管束具備了產生應力腐蝕的另一個必要條件。當材料處于拉應力情況下,又與腐蝕介質相接觸時,經過一段時間后,材料內部的微裂紋在拉應力及腐蝕介質的雙重作用下擴展,并發展到整個斷面,從而引起應力腐蝕開裂。
對于因應力腐蝕開裂引起的管束失效,有如下幾種預防及解決措施:通過熱處理消除和減少拉應力;設計中選用低于臨界應力腐蝕破裂強度的應力值;改進設計結構,避免應力集中;管束表面施加壓應力;采用電化學保護、涂料或緩蝕劑等;采用對應力腐蝕不敏感的材料,如0Cr18Ni12Mo2Ti。
目前,雖然管殼式換熱器的發展取得了巨大進步,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)強化傳熱技術與傳熱元件的研究開發,減少結垢、易于清洗,以及進一步提高傳熱性能、流體力學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量。