换热器

换热器管壳式换热器由一个壳体和包含许多管子的管束所构成，冷、热流体之间通过管壁进行换热的换热器。管壳式换热器作为一种传统的标准换热设备，在化工、炼油、石油化工、动力、核能和其他工业装置中得到普遍采用，特别是在高温高压和大型换热器中的应用占据绝对优势。通常的工作压力可达4兆帕，工作温度在200℃以下，在个别情况下还可达到更高的压力和温度。一般壳体直径在1800毫米以下，管子长度在9米以下,在个别情况下也有更大或更长的。工作原理和结构图1[固定管板式换热器]为固定管板式换热器的构造。A流体从接管1流入壳体内，通过管间从接管2流出。B流体从接管3流入,通过管内从接管4流出。如果A流体的温度高于B流体,热量便通过管壁由A流体传递给B流体；反之，则通过管壁由B流体传递给A流体。壳体以内、管子和管箱以外的区域称为壳程，通过壳程的流体称为壳程流体(A流体)。管子和管箱以内的区域称为管程,通过管程的流体称为管程流体(B流体)。管壳式换热器主要由管箱、管板、管子、壳体和折流板等构成。通常壳体为圆筒形;管子为直管或U形管。为提高换热器的传热效能，也可采用螺纹管、翅片管等。管子的布置有等边三角形、正方形、正方形斜转45°和同心圆形等多种形式，前3种最为常见。按三角形布置时，在相同直径的壳体内可排列较多的管子，以增加传热面积，但管间难以用机械方法清洗，流体阻力也较大。管板和管子的总体称为管束。管子端部与管板的连接有焊接和胀接两种。在管束中横向设置一些折流板，引导壳程流体多次改变流动方向，有效地冲刷管子，以提高传热效能，同时对管子起支承作用。折流板的形状有弓形、圆形和矩形等。为减小壳程和管程流体的流通截面、加快流速，以提高传热效能，可在管箱和壳体内纵向设置分程隔板，将壳程分为2程和将管程分为2程、4程、6程和8程等。管壳式换热器的传热系数，在水-水换热时为1400～2850瓦每平方米每摄氏度〔W/(m(℃)〕;用水冷却气体时,为10～280W/(m(℃)；用水冷凝水蒸汽时,为570～4000W/(m(℃)。特点管壳式换热器是换热器的基本类型之一，19世纪80年代开始就已应用在工业上。这种换热器结构坚固,处理能力大、选材范围广，适应性强，易于制造,生产成本较低，清洗较方便，在高温高压下也能适用。但在传热效能、紧凑性和金属消耗量方面不及板式换热器、板翅式换热器和板壳式换热器等高效能换热器先进。分类管壳式换热器按结构特点分为固定管板式换热器、浮头式换热器、Ｕ型管式换热器、双重管式换热器、填函式换热器和双管板换热器等。前3种应用比较普遍。固定管板式换热器它是管壳式换热器的基本结构形式（图1[固定管板式换热器]）。管子的两端分别固定在与壳体焊接的两块管板上。在操作状态下由于管子与壳体的壁温不同，二者的热变形量也不同，从而在管子、壳体和管板中产生温差应力。这一点在分析管板强度和管子与管板连接的可靠性时必须予以考虑。为减小温差应力，可在壳体上设置膨胀节。固定管板式换热器一般只在适当的温差应力范围、壳程压力不高的场合下采用。固定管板式换热器的结构简单、制造成本低，但参与换热的两流体的温差受一定限制；管间用机械方法清洗有困难，须采用化学方法清洗，因此要求壳程流体不易结垢。浮头式换热器图2[浮头式换热器]为浮头式换热器的结构。管子一端固定在一块固定管板上，管板夹持在壳体法兰与管箱法兰之间，用螺栓连接；管子另一端固定在浮头管板上，浮头管板与浮头盖用螺栓连接，形成可在壳体内自由移动的浮头。由于壳体和管束间没有相互约束，即使两流体温差再大，也不会在管子、壳体和管板中产生温差应力。对于图2a[浮头式换热器]中的结构，拆下管箱可将整个管束直接从壳体内抽出。为减小壳体与管束之间的间隙，以便在相同直径的壳体内排列较多的管子，常采用图2b[浮头式换热器]的结构，即把浮头管板夹持在用螺栓连接的浮头盖与钩圈之间。但这种结构装拆较麻烦。浮头式换热器适用于温度波动和温差大的场合；管束可从壳体内抽出用机械方法清洗管间或更换管束。但与固定管板式换热器相比，它的结构复杂、造价高。U型管式换热器一束管子被弯制成不同曲率半径的U型管，其两端固定在同一块管板上,组成管束（图3[U型管式换热器]）。管板夹持在管箱法兰与壳体法兰之间，用螺栓连接。拆下管箱即可直接将管束抽出，便于清洗管间。管束的U形端不加固定，可自由伸缩,故它适用于两流体温差较大的场合；又因其构造较浮头式换热器简单,只有一块管板，单位传热面积的金属消耗量少,造价较低,也适用于高压流体的换热。但管子有U形部分，管内清洗较直管困难，因此要求管程流体清洁，不易结垢。管束中心的管子被外层管子遮盖，损坏时难以更换。相同直径的壳体内，U形管的排列数目较直管少,相应的传热面积也较小。双重管式换热器将一组管子插入另一组相应的管子中而构成的换热器（图4[双重管式换热器]）。管程流体（B流体）从管箱进口管流入,通过内插管到达外套管的底部，然后返向，通过内插管和外套管之间的环形空间，最后从管箱出口管流出。其特点是内插管与外套管之间没有约束，可自由伸缩。因此，它适用于温差很大的两流体换热。但管程流体的阻力较大，设备造价较高。填函式换热器图5[填函式换热器]为填函式换热器的结构。管束一端与壳体之间用填料密封。管束的另一端管板与浮头式换热器同样夹持在管箱法兰与壳体法兰之间，用螺栓连接。拆下管箱、填料压盖等有关零件后,可将管束抽出壳体外,便于清洗管间。管束可自由伸缩，具有与浮头式换热器相同的优点。由于减少了壳体大盖，它的结构较浮头式换热器简单，造价也较低；但填料处容易渗漏，工作压力和温度受一定限制，直径也不宜过大。双管板换热器管子两端分别连接在两块管板上(图6[双管板换热器的结构特点])，两块管板之间留有一定的空间，并装设开孔接管。当管子与一侧管板的连接处发生泄漏时，漏入的流体在此空间内收集起来，通过接管引出，因此可保证壳程流体和管程流体不致相互串漏和污染。双管板换热器主要用于严格要求参与换热的两流体不互相串漏的场合，但造价比固定管板式换热器高。摘要：阐述了管壳式换热器常见的失效形式,分析了各种失效的原因,提出了预防措施,并介绍了管壳式换热器失效的在线检测方法,为管壳式换热器在今后公司生产中的使用提供了有益借鉴。关键词：管壳式换热器;失效分析;预防措施;在线检测中图分类号：TQ172.6文献标识码：B文章编号：1003-1324(2008)01-0024-03管壳式换热器是一种传统的、应用最广泛的热交换设备。由于它结构坚固,且能选用多种材料制造,故适应性极强。管壳式换热器广泛应用于各个行业,在水泥生产企业常用作设备稀油站的油冷却器,用作车辆发动机油冷却器等。长期以来,钢制管壳式换热器以其结构坚固、可靠性高、适应性强和选材广等优点在换热器的生产和使用数量上一直占主导地位。随着强化传热等技术的发展,管壳式换热器在制造技术和传热性能上也不断提高。然而,由于结构的复杂性和使用工况的多样性,也常常出现换热器的局部失效甚至整体报废。2管壳式换热器零部件失效形式及预防措施管壳式换热器的主要零部件包括:筒体、封头、管束、管板、折流板、接管、法兰等,在不同的工况和介质环境下,可能会发生多种形式的失效。从结构上分析,易发生失效的部位是各构件间的连接处,如管子和管板的连接处;从受力角度分析,在结构的曲面不连续,尤其是应力突变处往往由于存在附加应力而引起失效,如筒体和管板的焊缝处;从使用工况分析,由于高温高压而引起热应力或附加应力、工作介质具有腐蚀性、频繁地开停机而引起换热管的流体诱导振动等,都会造成筒体、换热管甚至整机失效。2·1管束失效(1)管束腐蚀和磨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换热管,然后依次是管板、换热器封头及小直径的接管。管束腐蚀和磨蚀失效的主要原因有:①污垢腐蚀;②流体有腐蚀性;③管内壁有异物积累而发生局部腐蚀;④管端发生缝隙腐蚀等。预防措施包括:①定期清洗管束;②合理选材;③在流体中加入缓蚀剂;④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,由于工作介质的硬度较高,或流体中含有颗粒物、悬浮物,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流道阻塞,从而导致换热能力迅速降低。预防的方法是:①充分掌握易污部位、致污物质及污垢程度,进行定期检查;②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)管束泄漏在换热介质腐蚀、应力腐蚀、间隙腐蚀或碰撞、磨损等情况下,管子上将产生微观裂纹,如果存在高拉应力或交变应力,裂纹会迅速扩展而发生泄漏。此时,现场常用堵管的办法作为一种应急修复措施。实际上堵管后由于增大了温差应力,从而加快了自身的应力腐蚀,因而管子很快会发生更严重的破坏,以至造成管束整体报废。预防管束泄漏的方法应从选材、防腐、防损伤、减小拉应力和防止振动等方面考虑。操作中一旦发现管束泄漏,应尽量拆管更换,而不要堵管。2·2管束与管板的连接失效根据换热器的使用工况不同,管束与管板的连接接头形式可分为焊接、胀接和胀焊并用三种。接头形式不同,失效形式也各异。在焊接时采用常规方法进行焊接的产品,大修时可改变焊接方式来加强换热管与管板之间的焊缝强度(见图2)。①将单面焊接改为双面焊;②变管板与管束前端的平齐焊接结构为管束伸出一定长度的角型焊接结构,制造专用的工装将管束与管板由平放位置改为立放状态,变换热管与管板前侧的垂直焊接形式为水平焊接形式以达到角焊接的焊接要求。通过上述二种方法改进焊接工艺,可收到良好的效果。2·3筒体失效壳体与管束所处的工作环境基本相同,因而壳体的失效形式、预防措施可参照管束。3管壳式换热器典型的失效形式及预防措施腐蚀是管壳式换热器主要失效形式。除了换热介质本身的酸碱性具有腐蚀性之外,工作介质的腐蚀性,以及壳体或管子存在拉应力,管子与管板之间存在缝隙等都会加速腐蚀,进而引起换热器失效预防措施主要有:减小缝隙,选择耐蚀材料,提高焊缝质量,定期清洗,流体中加人缓蚀剂,控制系统的温度波动,减少法兰连接。4管壳式换热器失效在线检测方法4.1结垢换热器操作一段时间后,如果管壁结垢严重,则传热能力下降,换热介质出口温度达不到设计工艺参数要求;污垢将管内径变小;流速相应增大;压力损失增加。这时,可通过检查流量、压力和温度等操作记录来判定结垢情况。4·2腐蚀和磨损换热介质、污垢等作用都会使换热器壳体和管子内、外表面产生腐蚀磨损。对壳体通常使用测厚仪,从外部测定和估计会产生腐蚀、减薄的壳体部位。4·3泄漏管子中部由于腐蚀、诱导振动等原因发生破裂管端由于腐蚀、疲劳破坏等原因使管子与管板的连接处泄漏。可通过流体取样,来检查管束的泄漏和破坏情况。5结论由以上分析可见,管壳式换热器的失效与材料结构、换热介质及工况等多种因素有关,有时是几种因素共同作用的结果。因此,在换热器的选材、设计、制造、装配和使用过程中要综合考虑各种影响因素,以防患于未然。对于我们使用者来说,只有积极对换热器的性能加以了解,严格进行在线检测,分析失效原因,合理运用防范措施,才能最大限度地利用好换热设备,更好地为生产服务。影响换热器换热效果原因分析(转载)某热电厂2004年实施了循环水供热工程，该工程设计供热面积100万m2，当年完成主支管网敷设工作，并在采暖季投入试运行。该系统经过一个采暖期的运行，能够较好的满足用户用热所需。但是，也有部分设备在运行中也暴露出了个别缺陷。一、运行中遇到的问题：该系统在整个采暖季中，存在的主要问题是尖峰加热器换热量不足。该换热器安装在循环水供水旁路，主要作用有两点：一是在冬季温度最低几天中，利用蒸汽加热供水，提高供水温度，满足用户所需；二是该换热站循环泵一台使用小汽轮机拖动，加热器用来消耗小汽轮机的作功乏汽，减少能量损失。该换热器采用是双纹管式换热器，其设计参数：流量G=1500t/h，换热面积F＝170m2，设计进汽参数t＝180℃，P=0.2MPa，循环水进出口温差△t＝15℃。该换热器在投入运行期间，出入口水温度差△t仅在5℃左右，虽经调整，效果不大，其作用无法充