管壳式换热器泄漏原因分析及对策

管壳式换热器泄漏原因分析及对策

许婵娟

克莱门特捷联制冷设备（上海）有限公司上海201419

摘要：针对管壳式换热器在实际应用中出现的典型泄漏问题，本文综述了管壳式换热器在工业领域的作用及其使用现状，并对其在实际生产中的泄漏表现、位置和原因做了相关分析，并结合管壳式换热器的结构特点和工作原理，在设计、制造和操作方面提出行之有效的预防措施。本文从设计、制造、使用等方面分析了管壳式换热器泄漏的原因，探讨了改进和保证同类换热设备密封性能的方法。本文的工作对换热器的运行管理具有一定的参考意义。

关键词：管壳式换热器泄漏预防措施

1前言

换热器是在具有不同温度的两种或两种以上流体之间传递热量的设备。在工业生产中，换热器的主要作用是使热量由温度较高的流体传递给温度较低的流体，使温度达到工艺流程规定的指标，以满足过程工艺条件的需要。换热器是化工、炼油、动力、食品、轻工、原子能、制药及其他许多工业部门广泛使用的一种通用设备。在化工厂中，换热器的投资约占总投资的10%～20%；在炼油厂中，该项投资约占总投资的35%～40%。管壳式换热器是一种典型的间壁式换热器，这种换热器具有操作弹性大、结构简单坚固、制造方便、使用材料范围广、可靠性程度高等优点，是目前应用最为广泛的一种换热器。由于其在运行过程中经常会发生换热器泄漏故障，不仅直接影响设备的安全稳定运行，还会造成严重的安全事故，因此各换热器制造和使用厂家都在积极探索换热器防泄漏技术。有些研究人员从具体的换热器泄漏事故中找到泄漏原因进行了分析并提出应对措施，从而提出了提高换热管质量、减少换热管振动和在管束侧进行涂料防腐蚀处理的解决措施。部分文献还研究了换热器的腐蚀原因及位置，并分析了不同防腐蚀涂料的利与弊。本文主要总结最典型的介质是冷却水的管壳式换热器在发生泄漏时的状况、位置及原因，并在设计、制造和操作等方面提出相应的措施。

2管壳换热器发生泄漏的原因分析

2.1问题的提出

管壳式换热器是一种广泛使用的工艺设备，在使用中，管壳式换热器的泄漏不仅造成了材料和环境污染的浪费，而且影响了换热器的工作效率和正常的工艺性能。通过对管壳式换热器泄漏原因的分析，探讨了如何防止这种换热器的泄漏。泄漏是导致管壳式换热器发生故障的最常见原因之一，这种故障经常导致整个装置停车，泄漏的物料进入系统管路还会影响到其他设备的安全运行，同时也会严重危及工厂人员的人身安全。若不考虑设计制造和人为操作因素，管壳式换热器泄漏主要有法兰密封面泄漏、腐蚀泄漏和磨损泄漏这几种形式，泄漏的部位主要出现在法兰密封面、换热管和管板连接处、换热管和折流板接触处、换热管弯头处，泄漏的样式主要有管壁减薄、管子表面凹坑穿孔和管子断裂及法兰密封面的物料泄漏等。

2.2设计方面

法兰密封结构、密封表面形式、垫片类型和尺寸、法兰和螺栓尺寸以及材料选择对法兰密封面的泄漏有很大影响。换热器设计一般优先选用标准的压力容器法兰。在我国压力容器法兰设计计算的方法是基于Waters法的法兰设计方法；法兰标准主要是按工程使用经验进行编制的，当选用标准法兰时，不必按Waters法校核其强度，实践表明，压力容器法兰标准是安全可靠的。

法兰设计应考虑的主要失效模式是整个法兰接头的泄漏，还需顾及螺栓、垫片和法兰的强度，影响法兰接头密封性能的因素如下：

（1）垫片本身的密封性能，以参数m和Y体现；

（2）法兰接头安装时施加合适的螺栓预紧力，以使得在整个操作过程中保证垫片表面比压满足要求；

对于一个特定的螺栓而言，其预紧力的大小与螺栓的拧紧力矩、螺栓与螺母之间的摩擦力、螺母与被联接件之间的摩擦力相关；大量的试验和使用经验证明：；较高的螺栓预紧力对连接的可靠性和被连接的寿命都是有益的，特别对有密封要求的连接更为必要。当然，俗话说得好，“物及必反”，过高的预紧力，如若控制不当或者偶然过载，也常会导致连接的失效，因此，准确确定螺栓的预紧力是非常重要的。

换热器在长期的使用过程中，温度的降低对密封效果也有较大影响。管路在常温下安装，管路升温时膨胀压紧；温度下降时，管路收缩。法兰联接处的泄漏经常发生在温度下降（冷却）过程，因为冷却时法兰和螺栓的冷却速度不一样，冷却后垫片的压紧力发生变化，出现应力松弛，加之管道的冷收缩，产生朝螺栓拉伸方向的力，此力会促使泄漏产生，所以在低温介质场合选择垫片时，应注意：①采用低温下有弹性的垫片。②垫片厚度应尽可能小，法兰间隙尽可能小。③采用高强度螺栓，减小应变。

2.3发生泄漏的原因

2.3.1冷却水水质的影响

在工业生产过程中，设计人员普遍在换热器中使用蒸汽加热工艺介质，或使用冷却水来冷却工艺介质，工业用蒸汽一般都是去除氧、Ca2+和Mg2+等，是比较纯净的蒸汽，很少造成换热器的腐蚀泄漏，而冷却水多使用开放式冷却塔循环水，有的甚至采用高硬度、高碱度地下水，所以一般腐蚀泄漏都是在循环水侧。除此之外，冷却水在换热过程中获得热量成为热水，热水回到冷却塔与空气接触进行交换冷却，使水中溶解氧得到补充而处于饱和状态，同时还会吸收空气中大量的灰尘、泥沙等。然后，冷却水在通过冷却塔时水会被不断蒸发，浓缩后盐、各种矿物质和金属离子的含量都会有所增加，同时电导率也不断上升，由此导致水中的碳酸氢盐容易分解成垢。由于在管道壁上易形成积垢，且介质的温度越高管道内壁结垢的趋势就越严重，长期结垢导致管道流量减小及管道堵通截面积变小，不仅造成管道两端介质压力损失增大，而且水的流速减小会加剧管道结垢的趋势，造成换热效果的降低，同时诱发管道局部腐蚀、应力腐蚀和垢下腐蚀，导致管壁穿孔从而引发泄漏。

2.3.2管壳式换热器结构特点的影响

对于卧式管壳式换热器，由于结构的原因，冷却水可以完全流出，基本不存在死区；而对于立式管壳式换热器，壳程冷却水出口不在最高点，且出口与上管板之间是死区，死区内的冷却水不能完全流出，这导致换热管的端口相对其他部位要腐蚀得更为严重，若不凝气体长时间停留在这个死区内，将造成换热管与管板连接处腐蚀泄漏。折流板对换热管管束有支撑和折流的作用，能够提高换热效率，但与此同时，换热管穿过折流板板孔时，换热管外壁与折流板孔之间存在缝隙，若壳程介质为冷却水，缝隙处则容易结垢，形成小的滞流区，导致缝隙腐蚀的产生。但若孔径过大，换热管在孔内发生振动，管外壁与孔内壁发生摩擦，磨损管壁的同时不断破坏换热管外壁的氧化膜，会产生新的电化学腐蚀，加快换热管腐蚀，直至换热管断裂。

2.3.3换热管材质不良的影响

换热管表面若存在刮痕、凹坑、夹层和裂纹等缺陷，在使用过程中，若受到介质高温高压下的冲击，材料会形成裂变，若存在局部应力则会形成换热管开裂，另外还会发生气蚀冲击，这很容易造成管道涂层损坏和脱落，导致管道腐蚀穿孔。

3管壳式换热器泄漏预防措施

3.1设计方面的预防措施

在根据工艺流程设计换热器时，要求换热器管程和壳程采用合适的流体介质，如换热器管程应优先不选用压力高、流速高、有毒的介质，当然，选取时会有矛盾的现象，要根据实际情况，考虑主要方面，去选取合适的流体。

换热器的规格要与生产能力相匹配，否则会造成换热器的泄漏或损坏。当设备换热能力过大时，冷却水在换热器内流动速度缓慢，变热的冷却水更容易在管壁上结垢，发生垢下腐蚀，减短换热器使用寿命；当换热能力过小时，冷却水快速通过换热器，冷热介质温差较大，产生热应力，严重时会使换热管与管板连接处发生损坏。目前各制造厂通过提高换热设备的金属材质等级或增加换热管壁的厚度这些简单的防腐措施来提高抗冲刷腐蚀能力，部分企业已经采用了涂刷防腐层的措施，这些方法都可延缓换热管的腐蚀泄漏。

3.2制造方面的预防措施

在制造工艺上，制造前需对每根管子进行水压、探伤检测，将带有缺陷的管子剔除；加工制造过程中要尽量避免对管子的碰撞和刮蹭等伤害；在对折流板和管板开孔时，要保持一定的同心度、公差和粗糙度，开孔边

缘要进行倒角圆滑处理；换热管与管板若选用强度焊加贴胀的焊接形式，贴胀时要优先选用液压胀机、合适的胀力和贴胀区间，并用均匀的胀力才可不损害管子，同时焊接时应确保一定的焊角高度；装配完毕的相关部件要进行相应的热处理；设备整体水压试验完毕后需完全吹扫干燥，以保护设备在储存和运输过程中不被腐蚀。对于折流板与换热管的缝隙，可以采取填充物的方式进行防腐，穿管前在孔内安装合适的柔性材料套管，换热管穿过套管，孔壁与管壁之间的缝隙依靠套管填充，避免了污垢的聚集和腐蚀的产生，除此之外，还可采取喷涂防腐材料的方式将缝隙填充。

3.3操作方面的预防措施

根据现场经验，水流速度在1.5m/s以下时，速度越小，结垢趋势越大，当水流速度超过2m/s左右时，水垢、悬浮物等杂质易被水流冲走，不易沉积，且会破坏换热管的氧化膜而加速腐蚀，所以，在满足工艺要求的情况下，换热器内流体介质应尽量采用合适的流速，一般控制在1.5-2m/s为宜。在换热器开启或者停工时，还要保证换热器介质的升温率或者降温率在规定范围之内；在换热器停工检修时，应该对换热器采取充水或充氮防腐的方法，还要对设备进行排气或排水，并定期排放冷却水侧的不凝性气体，避免影响换热效果，与此同时，还可以减缓不凝气体对换热管的腐蚀，若在条件允许的环境下，可以单独配制一条高放空管道，将冷却水侧的不凝气体连续排出。

在换热器工作过程中要严格控制冷却水添加药剂的配比量，由于换热器经过长时间使用后，换热管表面有不同程度的垢层，所以在停工检修时还必须对管程或壳程进行彻底清洗。

4结束语

本文主要针对管壳式换热器的典型泄漏问题，综述了管壳式换热器在工业领域的作用及其使用现状，并对其在实际生产中的泄漏表现、位置和原因做了相关分析。同时，结合管壳式换热器的结构特点和工作原理，在设计、制造和操作方面提出行之有效的预防措施。这些失效情况以及对应的预防措施有望为类似设备的运行管理提供技术支持。

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