1、列管换热器失效的原因及其改进措施摘要：本文针时换热器失效造成非计划停车的问题，从换热管与管板接头泄 漏、隔板与列管接触处列管泄漏两方面，分析了泄漏原因，在设计、制造和运行方面提出了相应的改进措施。关键词：列管式换热器;换热管;管 板; 连接接头;泄漏;改进列管式换热器是乙炔法生产聚氯乙烯的关键设备。由于应力作用及腐蚀等问题而引起列管式换热器换热管与管板的连接失效，继而造成非正常停车检修，严重影响了正常生产。针对上述情况，笔者对换热管与管板连接接头失效原因进行了分析，在该设备结构设计和制造方面提出并实施了相应的改进措施。一、列管式换热器的基本结构及主要 技术参数列管式换热器的外形尺寸为 2400
2、mmx3000mm、换热管 57mmx3.5mm(图 1)，壳程有 3 块折流板，分上下两 层冷却，冷却介质为 90100软水; 管程温度 80220，物料介质为乙炔、氯化氢 和氯乙烯。二、换热管与管板的连接接头泄漏原 因分析列管式换热器换热管与管板的连接形式主要有胀接和焊接两种，其中胀接又分为机械胀接和液压胀接。这三种连接形式的换热器在生产中均发生过泄漏失效。(一)机械胀接接头泄漏原因分析推进式机械胀管主要是通过控制电流的大小来控制胀管器滚锥的转动，最终使换热管产生变形而达到与管板连接的目的。这种胀管方法易使换热管产生过胀或欠胀，换热管内壁易产生加工硬化，如润滑不好，还会磨损起毛。换热管与管
3、板的连接在整个长度上的应力分布不均匀。在温差变化和应力的作用下，只要加工过程中有微小的缺陷，如管孔纵向划痕，腐蚀介质 的微量侵入就会使换热管与管板的连接失效，如发现不及时，壳程冷却水渗人管程后，会引起大片管子与管板的连接失效，此时修复也较为困难:若采用胀管修复，管孔的密封面已被腐蚀，很难完全胀紧，开车后，加上管板平面上的腐蚀凹坑中易积聚腐蚀介质而再次腐蚀引起连接失效;若采用焊接方式修复，易使附近其他换热管受热变形而松动。(二)液压胀接接头泄漏情况分析液压胀接时换热管不易产生过胀，胀接部位不产生窜动，换热管与管板连接处在整个长度上的应力分布是均匀的，从理论上讲，可靠性较机械胀接好。根据液压胀接原
4、理及 GB151 一 1998 有关条款，槽间距和槽宽为 8 一 9mm。这样，就使得管子与管板之间的胀接面积相对减少，管板的厚 度必须加大。而且，液压胀接对管孔的精 度要求及开槽精度要求特别严格。由于管板孔加工是大批量生产，必须保证 100%的 没有缺陷才行。失效后采用胀管修复后，由于腐蚀凹坑的存在，易再次失效。(三)焊接接头泄漏失效的主要原因分析焊接时，由于高温产生热影响区的附近组织出现塑性变形，加上焊接时未完全按工艺要求施焊，易形成较大的残余应力和应力集中，这是产生腐蚀的主要原因。本设备管程主要介质是氯乙烯、氯化氢及乙炔等，特别是工艺上含水率偏高时，CI-、H+ 等这种腐蚀环境，发生应力
5、腐蚀开裂造成换热管与管板连接接头处失效泄漏。另外焊接微气孔、裂纹、夹渣等缺陷，也是造成腐蚀失效的重要因素。三、结构设计上的改进和制造过程中 的几个关键问题(一)结构设计上的改进在壳程上层的冷却水出口处前增设溢流挡板，保证冷却水充满整个空间，消除壳 程冷却水空隙形成的空气层，避免上管板 与换热管连接处干湿变化引起腐蚀 ;换热 管与管板的连接采用强度焊加贴胀的结构 (图 2)，贴胀消除管子与管板孔之间的间隙防止间隙腐蚀的产生，并增强抗疲劳破坏 的能力;采用液压胀管;增加管板厚度，保证胀接长度。(二)制造过程中的关健问题制造过程中应注意以下几点:1、严格控制管孔的加工精度。金加工 中必须保证划线正确
6、，管板应采用小 40mm、57.5mm 钻头钻孔和扩孔，再加 57? 8mm 或 57.9mm绞刀绞孔，以消除 管孔的纵向划痕，并保证管孔尺寸精度的 一致性。管孔焊接倒角 2x45，钻孔时必须用乳化液冷却，避免水冷却而引起管 板孔锈蚀。管桥宽度偏差必须符合GB151 的规定。2、折流板与管板必须固定在一起加工，最后拆开进行一次扩孔、倒角，以保证 所有管孔同心，并做好方位标记，避免穿管 困难。3、换热管外径偏差必须符合国标。采用经退火处理过的换热管，材质 20# 钢。两端表面必须磨管除锈，去除氧化层，除锈长度大于 7Omm，并及时穿管组 装。换热管长度一致，最好在车床上车削两端并倒角，以确保换热
7、管管板两端整齐一致。4、穿管前必须将管孔清理干净，穿管后要再次将留在管板孔中的铁锈等清理干净。5、控制焊接工艺，防止大电流焊接引起过热，造成组织晶粒粗大及产生过大的 残余应力。不允许有气孔、裂纹及夹渣等缺陷。6、贴胀采用液压胀接的方法，保证管 板与管子的连接处胀度一致，整个长度上应力分布均匀。胀接采用的液压大小要做小样试验，据经验选择一压力，进行小批管子的胀接，实测胀前胀后管子内径，用管子的内径增大率来计算胀管率。最后，选择一适当的液压进行胀管。7、设备制造完毕后，进行水压试验，保证时间适当加长，可以消除部分应力。水压试验合格后，进行气密性试验。8、设备安装前，对两端管板进行涂层防腐处理。防腐
8、层一定要覆合紧密，不能脱壳，如产生脱壳易形成高浓度腐蚀环境，引起管子与管板连接接头失效。建议选用耐高温耐腐蚀的氟碳涂料。(三)改进措施1、设计、制造列管式换热器时，尽量选用硬度较高的管材。2、采用隔板移位法延长换热器列管使用寿命，即在管壁磨损到最小壁厚前， 将隔板平移一位置，一般为200300mm，使磨损在新的位置上重新开始。通常，对干换热器的隔板，如条件允许可移位 3 一 4 次，相应管的密封性就提高了 3 一 4 倍，泄漏发生的时间也延长了 3 一 4 倍，从而延长了列 管的使用寿命。四、结束语由干对列管式换热器在结构设计、制 造、运行中采取了以上措施，延长了该设备的使用寿命，非正常停车检
9、修很少发生，生产更加稳定可靠油过热器泄漏分析及改进摘要：本文就固定管板式换热器在设计计算时，根据换热器在各种工况下的受力作一一分析，确定最危险的工况作为换热器的设计依据。 关键词: 换热器 材料 连接接头 泄漏 措施 换热器是一种使两种或多种过程流体之间能够进行热交换的传热设备，是石油、化工生产中应用很广泛的单元设备之一，其质量的好坏直接影响石油化工企业的安全和经济效益；管式换热器是最常用的一类换热器。管式换热器是根据介质特性、操作压力和操作温度、流体类型、热负荷和经济性来决定换热器的材质和结构；管式换热器的主要构件包括换热管、管板、壳体、封头、折流板、接管及它们的组合；换热器的设计包括结构设
10、计，温差应力、流体振动等强度计算以及壳体、封头、管板、支座、法兰的强度计算。换热器的材质、换热管与管板的连接接头质量，则是影响换热器质量的重要因素。 本文就我厂醋酸乙烯装置合成工段油过热器（3E210）泄漏的原因进行分析，并提出相应的改进措施。 管式换热器由于应力作用及腐蚀等问题引管式换热器失效，壳程介质与管程介质混合，造成非计划停车，严重影响了生产。 管式换热器失效通常表现为两方面：一是换热管与管板的连接接头失效，造成泄漏，换热器的失效绝大多数集中在换热管与管板的连接接头上；二是折流板与换热管接触处，换热管泄漏。 管式换热器换热管与管板的连接形式主要有胀接和焊接两种；机械胀接主要是通过电流的
11、大小来控制胀管器滚锥的转动，最终使换热管产生变形而达到与管板连接的目的。这种胀管方法结构简单，投资少，对换热管精度要求不高；但易使换热管产生过胀或欠胀， 换热管与管板的连接处整个长度上的应力分布不均匀，在温差变化和应力的作用下，只要加工过程中有微小缺陷如管孔划痕、腐蚀介质的微量侵入就会使换热管与管板的连接接头失效，如发现不及时，则有可能引起大片换热管与管板的连接接头失效；液压胀接时，换热管不易产生过胀，胀接部位不产生窜动，换热管与管板的连接整个长度上的应力分布均匀，但液压胀接对换热管、管孔及管孔开槽精度要求高。 为了防止换热管与管板的连接接头失效，我们应该在结构设计和制造工艺流程上采取措施。根
12、据介质特性和操作工况，合理选择安全可靠的连接接头型式，如（1）换热管与管板的连接采用强度焊加贴胀的结构，贴胀消除了换热管与管板孔之间的间隙，防止间隙腐蚀的产生，并增强抗疲劳破坏的能力；（2）采用液压胀接，增加管板厚度，保证胀接长度；（3）提高管孔、换热管接头加工精度；（4）严格控制焊接工艺，防止焊接造成组织晶粒过大及产生过大的残余应力，有条件的应作消除应力热处理，Cr-Mo 钢则必须作消除应力热处理。 折流板与换热管接触处，换热管泄漏。一般是在温度变化较大，壳程介质流速高而引起管束振动较大的情况下发生。为避免接触处换热管泄漏，折流板管孔应光滑、孔边应倒圆； 降低壳程介质流速，介质脉动流向与内件
13、自重一致或在壳程添加与介质脉动流向一致隔板，减小折流板间距等措施可避免产生振动现象，防止换热管遭到碰撞而泄漏。 我厂醋酸乙烯装置合成工段油过热器（3E210）为 U 型管式，其型号：BIU800-4.0/0.15-65-2.4/25-2I 管程介质为 S36 蒸汽，工作温度 400，工作压力 4.0Mpa；壳程介质为导热油，工作温度 200，工作压力 0.15Mpa；该设备按 GB151-99钢制管式壳式换热器中级管束进行制造和验收，管扳厚度为 140mm，材质为 16Mn级锻件；换热管材料为 20#，规格 25*2；管、壳程壳体材料为 16MnR，换热管与管扳连接采用强度胀+强度焊。 该设备
14、是醋酸乙烯装置的重要设备之一，它是否正常运行，直接影响该装置核心设备合成反应器安全、稳定、长周期运行。醋酸乙烯装置生产工艺、技术和设备是由法国隆利公司引进的，装置设计能力为 9 万吨/年，随着我厂开展了装置达标、保标和超标等一系列上台阶活动，醋酸乙烯装置生产规模已扩大，并将进一步扩大。该换热器工作环境较苛刻，属高温、高压的二类压力容器，管程介质为 36 巴蒸汽，管程工作压力为 4Mpa，工作温度为 400，随着我厂装置上台阶活动，我厂 S36 蒸汽的实际工作温度由 400提高至 430左右，但该换热器在制造安装过程中，都未发现泄漏，但该设备运行不久，就出现了接头泄漏，油气混合，蒸汽外泄等现象。
15、后经停车堵管，修复管扳与管箱连接密封面，更换垫片等，都未达到理想效果，经过多次现场调研，车间、设计、制造厂等几方人员分析、研究，提出了改进措施。 因为我厂工艺流程的变化，S36 蒸汽实际工作温度由 400提高至 430左右的，该设备管板材质为 16Mn 锻件，换热管材质为 20#无缝钢管。碳钢及低合金钢在高于 425温度下长期使用，钢中的碳体会产生分解，使材料的强度及塑性均下降，从而使管板及换热管与管板连接接头强度降低，而产生泄漏。我们对 3E210 油过热器管束材质进行了更换，换热管材质改为 0Cr18Ni9 无缝钢管，管板采用 0Cr18Ni9，厚度为 110mm。随着装置达标、保标和超标
16、等一系列上台阶活动，装置设备应随工艺流程变化作相应的变化或校核。 由于对 3E210 油过热器在结构设计、制造、运行中采取了以上措施，延长了该设备的使用寿命，生产中没有出现泄漏现象，该设备效果很好，非正常停车检修很少发生，生产更加稳定可靠。保证了醋酸乙烯装置的安全、稳定、长周期运行。该方法是成功的。换热器接头泄漏失效的主要原因分析天津不锈钢管今日资讯：对壳程进行水压试验时，发现有多处换热管与管板的连接接头泄漏，经补胀后仍都没有达到理想效果，其主要原因是：1 管板与换热管没有足够的硬度差强度胀接时管板与换热管应有适当的硬度差，否则管子回弹大于管板，造成胀接不紧。GB 151-1999 管壳式换热
17、器对管板与换热管硬度差值没有明确的规定，只要求换热管材料的硬度值一般须低于管板材料的硬度值。前苏联规定应大于 HB 30，日本规定应大于 HB 20。故现在各制造厂通常都将其控制在 HB 30 以上，而在本换热器中，按照 JB 47262000级锻件规定，16 Mn 锻件在正火状态下的硬度为 HB 121178，我们实际测得其硬度为 HB 145155，也就是说换热管硬度比管板硬度还高。在这种情况下，如果换热管与管板的连接采用强度胀接，由于管子的回弹，造成胀接不紧。2 0Cr18Ni9 不锈钢管属于加工硬化倾向大的材料该换热器属于级换热器，其管子外径与管板管孔之间的最大间隙为 0.7 mm，要
18、达到胀紧目的，管子必须有较大的变形量。然而 0Cr18Ni9 管子在胀接变形量增加的同时，其硬度也随之增加，从而使换热管的硬度更加大于管板硬度，使得胀接更不紧。3 胀接工艺不合理该换热器采用推进式机械胀接，这种胀接方法使得换热管与管板的连接在整个长度上的应力分布不均匀。管壳式换热器失效分析及其解决措施我要打印 IE 收藏 放入公文包 我要留言 查看留言 文章来源：中国换热设备网 添加人：admin 添加时间：2008-7-4 17:25:00摘要：管壳式换热器是石油、化工生产中广泛使用的换热设备,由于结构、使用条件的多样性, 在使用过程中可能会发生多种形式的失效。针对管壳式换热器常见的失效形式
19、,分析引起失效的原因, 提出预防及解决措施,并为管壳式换热器的设计、制造和使用提出建议。关键词 管壳式换热器 管子 管板 失效 腐蚀在各种换热器中,钢制管壳式换热器以其结构坚固、可靠性高、适应性强等优点在换热器的生产和使用中一直占主导地位。但由于其结构的复杂性和使用条件的多样性,换热器常出现多种形式的失效。从结构上分析, 易发生失效的部位是管子和管板的连接处;从受力角度分析,筒体和管板的焊缝易引起失效;从使用条件分析,热应力或附加应力、工作介质的腐蚀性、换热管的振动等,都会造成换热器局部或整体失效。1 管子与管板的连接失效根据换热器使用条件的不同,管子与管板的连接接头形式可分为胀接、焊接和胀焊
20、并用三种。接头形式不同, 失效形式也有差异。1.1 胀接(1)机械胀接这种连接易使换热管产生过胀或欠胀,换热管内壁易产生加工硬化, 换热管与管板的连接处在其整个连接的长度上应力分布不均匀。在温差变化和应力的作用下,只要有微小的加工缺陷,如管孔纵向划痕,腐蚀介质的微量侵入就会使换热管与管板的连接失效。若发现不及时,壳程冷却水渗入管程后,会引起大片管子与管板的连接失效,此时修复就比较困难。(2)液压胀接液压胀接时管子不易产生过胀,胀接部位不产生窜动,管子与管板连接处在整个长度上的应力分布是均匀的。根据液压胀接原理及 GB151-1999 规定, 为保证胀接时管板与管束连接的可靠性,胀接时管板应开槽
21、, 槽间距和槽宽为 89mm。这样, 就使得管子与管板之间的胀接面积相对减少,管板的厚度必须加大才能保证连接可靠。而且, 液压胀接对管孔及开槽的精度要求特别严格。由于管板孔加工是大批量生产,必须保证 100%无缺陷才行。失效后若采用胀管修复,由于腐蚀凹坑的存在, 易再次失效。1.2 焊接接头开槽,槽间距和槽宽为 89mm。这样, 就使得管子与管板之间的胀接面积相对减少, 管板的厚度必须加大才能保证连接可靠。而且,液压胀接对管孔及开槽的精度要求特别严格。由于管板孔加工是大批量生产, 必须保证 100%无缺陷才行。失效后若采用胀管修复,由于腐蚀凹坑的存在,易再次失效。1.2 焊接接头这种连接方式实
22、现了焊接和胀接的优势互补,具备抗反复热冲击及腐蚀、提高接头的抗疲劳性能和消除间隙腐蚀等优点。但是,胀焊并用时操作要求高, 一般用于操作条件比较苛刻的场合。GB151-1999 标准中规定,对于设计压力小于等于 4MPa、设计温度低于 300的换热器, 可采用胀接结构;对于振动较小和无间隙腐蚀的场合,可采用焊接结构; 而对于密封性能要求较高,承受振动或疲劳载荷,有间隙腐蚀, 采用复合管板的场合,应当采用胀焊结构。由此可见,单纯胀接或焊接结构的连接方式使用条件受到限制。由于胀焊并用结构能有效地阻尼管束振动对焊口的损伤、避免间隙腐蚀,并且比单纯胀接或焊接结构具有更高的强度和密封性, 因而得到广泛应用
23、。目前对常规的换热器通常采用贴胀+ 强度焊的模式 ;而重要的或使用条件苛刻的换热器则要求采用强度胀+强度焊的模式。2 管束失效(1)管束腐蚀和腐蚀失效换热器的失效大多数是由腐蚀引起的。最常见的腐蚀部位是管子,其受腐蚀的主要原因有:流体为腐蚀性介质;管内壁有异物积累而发生局部腐蚀;污垢腐蚀; 管内物料流速过大而发生磨蚀 ,流速过小则异物易附着管壁,造成电位差而导致腐蚀等。解决措施:合理选材 ,选择对介质适应的材料;定期清洗管束;在流体中加入缓蚀剂;选择适当流速;在流体入口设置过滤装置和缓冲结构等。(2)传热能力下降在换热器运行过程中,若工作介质( 水)的硬度较高,或流体中含有颗粒物、悬浮物, 冷
24、却水中有藻类、细菌、泥沙等,都会导致管束内、外壁严重结垢。随着污垢层的增厚,传热热阻很快增大,严重时污垢将会使工作介质的流道阻塞,从而导致换热能力迅速降低。解决措施:充分掌握易污部位、致污物质及污垢程度等有关情况,进行定期检查;当流体很容易结垢时,必须采用容易检查、拆卸和清理的设备或结构。(3)列管式换热器为了强化壳程传热和减小结垢,常采用提高壳程流体流速的方法。但壳程流体流速的提高往往导致管束的诱导振动, 换热器频繁开停也会导致管束的诱导振动。列管式换热器制造时,为了使管束安装方便, 隔板上的孔内径比列管外径大,这就不可避免地产生管子与隔板孔边缘反复碰撞的现象。当管子材料硬度低于隔板材料硬度
25、时,这种碰撞的结果就使得管子被磨损甚至被割断, 最终使管束失效。对于在线运行的换热器,当出入口的条件稳定时,由振动产生的管磨损速率也是一定的。振动磨损率随管子与隔板孔之间间隙的增加而增加,间隙与磨损率随时间增长而增大; 同时,振动磨损量随管子振动频率及振幅的增加而增加,振动磨损量的增加使得管子管壁变薄,当壁厚无法满足强度要求时,就会出现泄漏现象。解决措施:在管壁磨损到最小壁厚前,将隔板平移一定距离, 一般为 2030mm,使得磨损在新的位置上重新开始。通常,对于换热器的隔板如果条件允许 ,可以移位 34 次,这样就大大延长了管束的使用寿命。此外,在流体入口前设置缓冲板,减少脉冲; 适当缩短折流
26、板间距,增大管壁厚度和折流板厚度;折流板上的管孔与管子采用紧密配合,间隙不要过大; 相邻支撑板管孔有一定的偏心距等, 都可有效消除流体诱导振动。(4)U 形管式换热器对于奥氏体不锈钢管束,由于换热管冷弯时的塑性变形,在 U 形管弯管处外缘存在着较大的残余拉应力,同时 U 形管下直管段及弯管处存在着较大的因温差产生的拉应力,因此,U 形管束在某些区域具备了产生应力腐蚀的必要条件之一( 构件处于拉应力状态)。从管束的工作环境来看,一般水中的氯离子浓度小于 0.1ppm,表面上看来并不具备产生应力腐蚀的条件,但是考虑到水被不断蒸发,其氯离子浓度会不断增加, 这就存在了产生应力腐蚀的可能性。经验告诉我
27、们,奥氏体不锈钢在含有 2ppm 的氯化物的水溶液中,在温度小于 200的条件下,即会发生应力开裂。因此管束具备了产生应力腐蚀的另一个必要条件。当材料处于拉应力情况下,又与腐蚀介质相接触时, 经过一段时间后,材料内部的微裂纹在拉应力及腐蚀介质的双重作用下扩展 ,并发展到整个断面,从而引起应力腐蚀开裂。对于因应力腐蚀开裂引起的管束失效,有如下几种预防及解决措施:通过热处理消除和减少拉应力;设计中选用低于临界应力腐蚀破裂强度的应力值;改进设计结构, 避免应力集中;管束表面施加压应力;采用电化学保护、涂料或缓蚀剂等;采用对应力腐蚀不敏感的材料,如 0Cr18Ni12Mo2Ti。目前,虽然管壳式换热器的发展取得了巨大进步,但制约管壳式换热器安全长周期使用的关键问题仍有待于进一步研究。例如:(1)长周期运行时的腐蚀与防腐问题以及防腐材料的研究。(2) 强化传热技术与传热元件的研究开发, 减少结垢、易于清洗,以及进一步提高传热性能、流体力学性能和抗振性能的研究。(3)研究更为可靠的制造方法, 以有效保证换热管与管板连接的质量。
