管壳式换热器管束失效问题的分析
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摘 要：随着社会的快速发展，换热器的型式也越来越繁多，在不同场合均可以见到。而作为管壳式换热器由于结构简单、造价低廉、清洗方便、便于安装检修，被广泛应用在各个领域中。但笔者在压力容器年检过程中发现由于以上的优点而简单地被应用到一些生产中，不考虑介质的特性和生产工艺使得作为管壳式换热器重要组成部分的管束失效。本文通过我市一喷涂行业在采用管壳式换热器在使用中发现管束失效的例子，来分析管束失效的一些起因，以便探讨在其设计、制造、使用中如何规范。
关键词：管壳式换热器、问题分析
一、设备构造
1、该管壳式换热器是喷涂行业在利用加热喷涂的重要设备，采用的是固定管板式换热器，其结构如下：
其中管子尺寸为∮32*3，材质为20#，管壳式换热器设计参数如表1。
由于烘烤废气主要是燃料煤的燃烧后的高温气体经过烘烤彩板后的废气，温度达600℃左右，而作为喷涂原料基础油，又必须在60℃时在其他热源配合下喷涂效果最佳。因此该企业采用管壳式换热器由烘烤废气通过管程，原料基础油通过壳程，两者逆流流动，通过管束换热，达到以下二个作用：提高原料基础油出油温度，以便工艺要求；降低废气排气温度，符合节能要求。
2、检测情况
通过检查，发现壳程有轻微腐蚀，最小壁厚为13.5 mm，腐蚀量为0.5mm，左管板与管子焊接处的接头产生裂纹而泄露，管束中心5根管子靠左前部有局部溃疡性腐蚀，管壁穿孔，导致管束失效，运行时间为2年7个月。
二、管束失效原因分析
1. 结垢是管束失效的基本原因
现场发现，在管束内壁由于烘烤废气在进入换热器后流速下降，废气中的灰粉和未燃尽颗粒沉积在壁面上，通过测量，发现管子内壁前半部粘附着灰粒达1mm厚，而管束外壁，由于喷涂原料化学安定性差，在外壁均布污垢，特别在管板和管束交界处，基础油有堆积沉淀现象。对于换热器本身来说，虽然起金属导热系数很大，起热阻可以忽略，但当其运行一段时间后，壁面内外均结有污垢，污垢的热阻使得管壳式换热器工作效率下降，导致喷涂原料基础油出口温度达不到预定的要求，无法满足工艺要求。这时作为使用单位没有采取清理措施，却通过减低壳程流速来提高原料温度，这种方法致使管束壁面温度过高，反而促使污垢迅速增加，使管束过热失效。而且结垢物质还可能引起在金属表面形成氢或氧的浓差电池导致“垢下腐蚀”。
2．腐蚀是管束失效的直接原因
1)管程高温氧腐蚀原因
由于在低温下，管束一般能产生Fe2O2、Fe3O4二层致密且很薄的氧化保护层。而在600℃下，管子内大量生成Fe2O2、Fe3O4、FeO三层氧化层，而FeO很厚又松散，在它的厚度增大到某一临界厚度时，会自发呈片状落下，使得氧化保护层破坏而腐蚀，且在氧化膜破裂处形成一些小裂痕，从而引起阴阳极而导致强烈的局部电化学腐蚀。这也说明了管束前部有局部溃疡性腐蚀的原因。
2）管程硫酸蒸汽腐蚀
通过调查彩板烘烤工艺，发现烘烤和彩板的净水清洗是交叉逆流进行，这就使得烘烤废气在进入管壳式换热器管程后含水量增加。所以当在600℃废气温度时，管束内表面在Fe3O4的催化作用下，SO2大量转化成SO3，并最终产生硫酸腐蚀。
3）.管板管孔与管子间的间隙引起缝隙腐蚀
通过检查发现管孔与管子的间隙不符合标准，在间隙中由于基础油流动和扩散受阻，使的缝隙内外形成金属离子浓度电池，导致缝隙腐蚀。
3．基础油的流动诱导管束振动是管束失效的加速原因
由于基础油需加温较低，因此由油泵打入管壳式换热器的流速较大，导致壳程流体高速横向冲刷管束时，产生旋涡脱离，引起管束处速度分布和压力分布的周期性波动，当波动频率接近管束固有频率时将激起大幅度的共振，同时这种振动还会使管束产生横向挠曲。而作为管束和管板连接处的应力最大，容易发生失效而产生疲劳损坏，最终使得管束失效。
三、规范的措施
a）对付结垢的措施
由于管程主要是灰粉和未燃尽颗粒因流速下降而产生的沉积型污垢，可以考虑用机械过滤的方法，通过除尘来达到较好效果。而壳程这应时常检查其污垢情况，定期清理,故建议在选用管壳式换热器时采用浮头式换热器。
b）对付腐蚀的措施
可以通过调节烘烤工艺过程，控制进入管程的废气含水量；管孔和管板连接可以焊接前轻胀定位，保持管子和管孔的对中性，焊后轻胀以消除间隙和焊接残余应力，以消除间隙腐蚀。
c）对付管束振动的措施
在设计时候，采用合适的支撑板并控制支撑板与管子见的间距，从而防止管子的下垂和振动。
四、结论
管壳式换热器是一种基本的常用的压力容器，但在设计、制造中，应当根据具体条件、工艺性能、工作特性来确定类型，并在使用中掌握缺陷的产生规律和部位，制定对应措施和改善工艺流程，以减少不必要的损失。
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