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一、管殼式換熱器組成結(jié)構(gòu)
管殼式換熱器是一種傳統(tǒng)的、應(yīng)用最廣泛的熱交換設(shè)備。由于它結(jié)構(gòu)堅固,且能選用多種材料制造,故適應(yīng)性極強。管殼式換熱器廣泛應(yīng)用于各個行業(yè),在水泥生產(chǎn)企業(yè)常用作設(shè)備稀油站的油冷卻器,用作車輛發(fā)動機油冷卻器等。長期以來,鋼制管殼式換熱器以其結(jié)構(gòu)堅固、可靠性高、適應(yīng)性強和選材廣等優(yōu)點在換熱器的生產(chǎn)和使用數(shù)量上一直占主導(dǎo)地位。隨著強化傳熱等技術(shù)的發(fā)展,管殼式換熱器在制造技術(shù)和傳熱性能上也不斷提高。然而,由于結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和使用工況的多樣性,也常常出現(xiàn)換熱器的局部失效甚至整體報廢。
管殼式換熱器的主要零部件包括:筒體、封頭、管束、管板、折流板、接管、法蘭等,在不同的工況和介質(zhì)環(huán)境下,可能會發(fā)生多種形式的失效。從結(jié)構(gòu)上分析,易發(fā)生失效的部位是各構(gòu)件間的連接處,如管子和管板的連接處;從受力角度分析,在結(jié)構(gòu)的曲面不連續(xù),尤其是應(yīng)力突變處往往由于存在附加應(yīng)力而引起失效,如筒體和管板的焊縫處;從使用工況分析,由于高溫高壓而引起熱應(yīng)力或附加應(yīng)力、工作介質(zhì)具有腐蝕性、頻繁地開停機而引起換熱管的流體誘導(dǎo)振動等,都會造成筒體、換熱管甚至整機失效。
二、管殼式換熱器的原因
1、管束腐蝕和磨蝕失效
換熱器的失效大多數(shù)是由腐蝕引起的。最常見的腐蝕部位是換熱管,然后依次是管板、換熱器封頭及小直徑的接管。
管束腐蝕和磨蝕失效的主要原因有:
①污垢腐蝕;
?、诹黧w有腐蝕性;
?、酃軆?nèi)壁有異物積累而發(fā)生局部腐蝕;
?、芄芏税l(fā)生縫隙腐蝕等。
預(yù)防措施包括:
?、俣ㄆ谇逑垂苁?
?、诤侠磉x材;
?、墼诹黧w中加入緩蝕劑;
?、茉诹黧w入口設(shè)置過濾裝置和緩沖結(jié)構(gòu)等;
2、傳熱能力下降
在換熱器運行過程中,由于工作介質(zhì)的硬度較高,或流體中含有顆粒物、懸浮物,都會導(dǎo)致管束內(nèi)、外壁嚴(yán)重結(jié)垢。隨著污垢層的增厚,傳熱熱阻很快增大,嚴(yán)重時污垢將會使工作介質(zhì)流道阻塞,從而導(dǎo)致?lián)Q熱能力迅速降低。
預(yù)防的方法是:
?、俪浞终莆找孜鄄课?、致污物質(zhì)及污垢程度,進行定期檢查;
?、诋?dāng)流體很容易結(jié)垢時,必須采用容易檢查、拆卸和清理的設(shè)備或結(jié)構(gòu);
3、管束泄漏
在換熱介質(zhì)腐蝕、應(yīng)力腐蝕、間隙腐蝕或碰撞、磨損等情況下,管子上將產(chǎn)生微觀裂紋,如果存在高拉應(yīng)力或交變應(yīng)力,裂紋會迅速擴展而發(fā)生泄漏。此時,現(xiàn)場常用堵管的辦法作為一種應(yīng)急修復(fù)措施。實際上堵管后由于增大了溫差應(yīng)力,從而加快了自身的應(yīng)力腐蝕,因而管子很快會發(fā)生更嚴(yán)重的破壞,以至造成管束整體報廢。預(yù)防管束泄漏的方法應(yīng)從選材、防腐、防損傷、減小拉應(yīng)力和防止振動等方面考慮。操作中一旦發(fā)現(xiàn)管束泄漏,應(yīng)盡量拆管更換,而不要堵管。
4、管束與管板的連接失效
根據(jù)換熱器的使用工況不同,管束與管板的連接接頭形式可分為焊接、脹接和脹焊并用三種。接頭形式不同,失效形式也各異。在焊接時采用常規(guī)方法進行焊接的產(chǎn)品,大修時可改變焊接方式來加強換熱管與管板之間的焊縫強度。
①將單面焊接改為雙面焊;
?、谧児馨迮c管束前端的平齊焊接結(jié)構(gòu)為管束伸出一定長度的角型焊接結(jié)構(gòu),制造專用的工裝將管束與管板由平放位置改為立放狀態(tài),變換熱管與管板前側(cè)的垂直焊接形式為水平焊接形式以達到角焊接的焊接要求。
通過上述二種方法改進焊接工藝,可收到良好的效果。筒體失效殼體與管束所處的工作環(huán)境基本相同,因而殼體的失效形式、預(yù)防措施可參照管束。
腐蝕是管殼式換熱器主要失效形式。除了換熱介質(zhì)本身的酸堿性具有腐蝕性之外,工作介質(zhì)的腐蝕性,以及殼體或管子存在拉應(yīng)力,管子與管板之間存在縫隙等都會加速腐蝕,進而引起換熱器失效預(yù)防措施主要有:減小縫隙,選擇耐蝕材料,提高焊縫質(zhì)量,定期清洗,流體中加人緩蝕劑,控制系統(tǒng)的溫度波動,減少法蘭連接。
三、管殼式換熱器失效在線檢測方法
1、結(jié)垢：換熱器操作一段時間后,如果管壁結(jié)垢嚴(yán)重,則傳熱能力下降,換熱介質(zhì)出口溫度達不到設(shè)計工藝參數(shù)要求;污垢將管內(nèi)徑變小;流速相應(yīng)增大;壓力損失增加。這時,可通過檢查流量、壓力和溫度等操作記錄來判定結(jié)垢情況。
2、腐蝕和磨損：換熱介質(zhì)、污垢等作用都會使換熱器殼體和管子內(nèi)、外表面產(chǎn)生腐蝕磨損。對殼體通常使用測厚儀,從外部測定和估計會產(chǎn)生腐蝕、減薄的殼體部位。
3、泄漏：管子中部由于腐蝕、誘導(dǎo)振動等原因發(fā)生破裂管端由于腐蝕、疲勞破壞等原因使管子與管板的連接處泄漏?？赏ㄟ^流體取樣,來檢查管束的泄漏和破壞情況。
由以上分析可見,管殼式換熱器的失效與材料結(jié)構(gòu)、換熱介質(zhì)及工況等多種因素有關(guān),有時是幾種因素共同作用的結(jié)果。因此,在換熱器的選材、設(shè)計、制造、裝配和使用過程中要綜合考慮各種影響因素,以防患于未然。
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