管壳式换热器的失效、破坏后成因与控制

【中国制冷网】在各类换热器的制造与使用中，管壳式换热器占据着核心的地位，原因在于其耐高温高压、传热系数高、安装方便、结构紧凑、生产成本低等特点。同时，因为其结构的多样性以及应用要求的复杂性原因，从而引起换热器各种形式的失效情况。如：换热管与管板之间的连接处容易出现失效，筒体与管板之间的焊缝处也容易失效。换热管出现振动现象、热应力或是附加应力以及工作媒介的腐蚀性等情况均会导致换热器部分或是整体性的失效后果。

一、换热管与管板之间的连接

1.1机械滚胀法

机械滚胀法，一般会造成换热管出现过胀或是欠胀的情况, 换热管的内壁容易出现加工硬化现象。如下图1所示为胀接方式，主要应用在抗拉脱能力和密封性高的环境中，不可以在高温环境中工作。在出现温差改变时，胀接位置的残余应力会慢慢消失，降低了抗拉脱力和密封性能，从而造成换热管和管板之间连接的失效。它的优点在于胀接的结构比较简单，有利于换热管的更换和修补，通常运用在设计压力不高于4.0 MPa以及设计温度不高于300 ℃的条件下。

图1 胀接方式示意图

1.2液压胀接

液压胀接法，使管板与换热管的连接位置应力分布均匀，具有劳动强度低、生产效率高、密封性良好等优点，但是对于管板的管孔以及开槽的精度要求特别高

1.3爆破胀管

爆破胀管，指的是利用爆炸时产生的径向力，使得换热管胀紧，与此同时，利用爆炸时产生的轴向力，将管内残渣甩出管外。胀接法适用于无剧烈振动，无过大的温度波动，无明显的应力腐蚀倾向的场合。

1.4焊接法

换热管与管板如采用焊接形式如下图2所示时, 换热管和管板焊缝连接处产生残余应力状态，从而造成应力腐蚀和腐蚀疲劳，换热管和管板的连接处易产生失效泄漏。因而在施焊时，需对管端加以打磨，清除焊接范围的污染物。焊接法不适用于较大振动、有缝隙腐蚀倾向的场合。

图2 焊接方式示意图

二、管壳式换热器失效与受到破坏的成因分析

腐蚀是管壳式换热器最常见的失效形式。腐蚀最常见的部位为换热管与管板连接处，受到腐蚀的成因如下：管壳程工作介质自身的酸碱性存在着腐蚀性，壳体或是换热管中的拉应力，换热管和管板之间存在着缝隙等情况。上述情况均会加快腐蚀的进度，从而造成换热器的失效。

2.1工作介质腐蚀

若工作介质内溶解一定含量的氧、氮、氢与硫等元素，一般会造成换热器的失效。选择合理的媒介决定着换热器的使用寿命，不同的腐蚀性介质要选用相对应的预防对策。如：使用回收硝酸尾气作为热量的废热锅炉，因为硝酸尾气中主要成份是氮化物， 当其处于一定的温度与压力环境中，氮和铁其他不少的合金元素会产生硬且脆的氮化物，从而造成钢材出现氮化的现象，最终降低力学性能趋弱。特别是高温气体的入口处，工作介质腐蚀会造成管板的表面、管板与换热管之间的连接处以及管板外部的换热管端面由于氮化的缘故而出现泄漏情况。海洋环境中使用的设备面临着更加复杂的腐蚀情况，如：吸氧腐蚀、海生物腐蚀等。金属腐蚀还与海水的氧含量、温度、PH、溶液成份、海水的流速等因素有关。紫铜对海水流速腐蚀最敏感，B10铜合金对加入海砂后的冲刷腐蚀也很敏感。大部分铜合金在流动海水均存在临界流速。如：海水流速超过4.5米/秒, B30铜合金腐蚀速度非常的快。铜合金在海水环境中还面临着脱成分腐蚀情况。

2.2应力腐蚀

应力腐蚀是最广泛最严重的一种失效形式。其产生的基本条件有三点：（1）敏感材质，发生应力腐蚀主要是合金，纯金属极少发生。（2）特定的介质，如酸碱盐溶液、海水、工业大气、水蒸汽等（3）足够的拉应力。管壳式换热器在热处理、焊接以及加工过程中出现的残余应力，设备在工作条件下承受外载荷而引起的工作应力，温差引起的热应力，设备、部件的安装和装配而引起的应力以及腐蚀产物体积效应而引起的应力等。因此，应及时地清除应力腐蚀影响。

2.3 缝隙腐蚀

缝隙腐蚀是因金属与非金属之间或金属与金属之间存缝隙，使缝隙内介质处于滞流状态而引起缝内金属腐蚀加速的一种局部腐蚀形态。缝隙腐蚀的条件是应具有一定的缝隙，其宽度必须能使介质进入缝内，同时又必须窄到能使介质在缝内停滞。一般发生缝隙腐蚀最敏感的缝宽为0.025mm~0.1mm。如换热管与管板采用如上图2所示焊接时，管板和换热管之间存在着缝隙往往就会发生缝隙腐蚀。因此，应及时地改善制造工艺尽量避免缝隙的存在。

2.4腐蚀疲劳

腐蚀和循环载荷协同作用下往往会发生腐蚀疲劳，腐蚀环境中运行的设备要经常承受交变载荷，很少有实际构件只承受单向静态负载，腐蚀疲劳其危险程度比单纯的腐蚀或疲劳要严重得多。因此，分析腐蚀疲劳损伤发生发展的原因和速度，进而评估设备的使用寿命或找到有效的腐蚀疲劳断裂的控制措施，提高设备运行的可靠程度。

2.5点腐蚀

腐蚀出现在金属表面很小区域并逐步深入到金属内部，而其他大部分表面不发生腐蚀或腐蚀很轻微的形态。产生点蚀的条件：（1）多发生在表面生成钝化膜的金属和合金上或表面有阴极性镀层的金属上。（2）往往有侵蚀性卤素离子与氧化剂共存。（3）对给定的金属—介质体系，存在一特定的临界电位，高于此电位时才发生点蚀。

三、管壳式换热器失效的控制方法

3.1结垢

管壳式换热器在操作一定时间之后，若管壁的结垢非常地明显，那么传热能力就会弱化，换热介质的出口温度无法与最初设计的工艺参数要求相吻合，污垢造成管内径日益变小，流速则递增；压力受损递增。此时，应采用定期性的流量检测、压力与温度等多种操作方式来界定结垢的状况。

3.2腐蚀与磨损

污垢、换热介质、流体速度偏大以及电化学等一系列原因均会造成换热器壳体、换热管以及外部出现腐蚀与磨损。壳体一般采用超声波测厚设备或是其他的非破坏性测厚设备，由外部检测与评估的方式界定能够产生腐蚀与减薄等壳体具体部位。换热管在出现破裂之前的腐蚀与磨损状况采用涡流探伤法进行分析，详细分析换热管壁厚减薄量，同时也对换热管缺陷的深度进行分析，提前预防并控制换热器的失效。

3.3泄漏

换热管因为腐蚀以及诱导振动等缘故会出现破裂的现象，管端因为腐蚀以及高温蠕变等，再加上疲劳破坏等缘故从而造成换热管和管板之间的连接处出现泄漏。有效的控制方法：在流体出口处取样，分析它的色泽、粘度以及比重等指标来测试管束的泄漏与破坏的程度。

3.4振动

换热管束会和泵、压缩机发生共振的情况，回转机械会发生直接脉动的冲击，流体会产生一定的振动，通过采用振动测试设备或振动声响的方式来推断振动的情况。

3.5内孔焊技术

有些换热器是工作在高温与腐蚀性应力环境中的，换热管与管板如采用上图2方式焊接时，管板和换热管内部会存在着间隙，同时焊缝遇到高温外界腐蚀性流体载荷冲击影响，很容易出现腐蚀开裂的情况，从而在很大程度上缩短了设备的使用寿命。为了降低高温腐蚀性流体对管板焊缝所带来的损害，必须改善焊接工艺来加以控制，优化管板和管束之间的连接形式。可以选择对接焊缝形成对接接头或锁底接头内孔焊结构。对接焊缝形成对接接头内孔焊形式如下图3所示。内孔焊接头技术能够有效地降低换热管和管板接头处所存在的应力腐蚀和间隙腐蚀等情况。

图3 管板形式示意图

四、结论

通过上述分析，管壳式换热器的失效、破坏与工作介质、材料、设备结构、设备操作、流体载荷等多种因素存在着内在的关联性，也是上述因素的共同作用。因此，在设计管壳式换热器时应考虑材料的选用、管板的强度、换热管强度和稳定性、制造工艺、设备结构、设备操作和使用环境状况及工作介质性质等各类影响因素，达到有效控制管壳式换热器失效目的。