管殼式換熱器泄漏的原因分析與解決方法

前言：管殼式換熱器是目前應(yīng)用最廣泛的一種換熱設(shè)備。與其它幾種間壁換熱器相比，單位體積設(shè)備所能提供的傳熱面積要大得多，傳熱效果也較好。由于設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊、堅固，且能選用多種材料來制造，故適應(yīng)性較強，尤其在大型裝置和高溫、高壓中得到廣泛應(yīng)用。

一、列管式換熱器介紹

多年來廠里給水換熱器各種故障中，管系泄漏所占比重最大。表面式回?zé)釗Q熱器水側(cè)壓力大于汽側(cè)壓力，一旦管系泄漏，給水就會沖入殼體，引起汽側(cè)滿水。水將有可能沿著抽汽管道倒灌人汽輪機，造成汽輪機汽缸變形，脹差變化，機組振動，甚至葉片斷裂等事故。

這類由于換熱器泄漏而引起整套裝置停車和汽輪機進水的事故在廠里發(fā)生過多起。因此分析換熱器泄漏原因，找出對策，以盡可能減少泄漏十分重要。

二、泄漏原因分析

列管換熱器內(nèi)部管系泄漏主要分為管子本身泄漏和端口泄漏。

1管子端口泄漏原因

1.1熱應(yīng)力過大

管殼式換熱器在操作時，由于冷、熱流體溫度不同，使殼體和管壁的溫度互有差異。這種差異使殼體和管子的熱膨脹不同，當(dāng)兩者溫差較大時可能將管子扭彎，或使管子從花板上拉松，甚至毀壞整個換熱器。對此，就必須結(jié)構(gòu)上考慮熱膨脹的影響，采用各種補償?shù)姆椒ā?/p>

換熱器在啟停過程中溫升率、溫降率超過規(guī)定，使高加的管子和管板受到較大的熱應(yīng)力，使管子和管板相聯(lián)接的焊縫或脹接處發(fā)生損壞，引起端口泄漏：調(diào)峰時負(fù)荷變化速度太快以及主機或換熱器故障而驟然停運換熱器時，如果汽側(cè)停止供汽過快，或汽側(cè)停止供汽后，水側(cè)仍繼續(xù)進入給水，因管子管壁薄，收縮快，管板厚，收縮慢，常導(dǎo)致管子與管板的焊縫或脹接處損壞。這就是規(guī)定的溫降率允許值只1.7℃／min- 2.0℃／min，比溫升率允許值2℃／min- 5℃／min 要嚴(yán)格的原因。

1.2管板變形

主要是管板的加工變形及加工時產(chǎn)生的變形，管子與管板相連，管板變形會使管子的端口發(fā)生泄漏。

高加管板水側(cè)壓力高、溫度低，汽側(cè)則壓力低、溫度高，尤其有內(nèi)置式疏水冷卻段者，溫差更大。

如果管板的厚度不夠，則管板會有一定的變形。管板中心會向壓力低、溫度高的汽側(cè)鼓凸。在水側(cè)，管板發(fā)生中心凹陷。

在主機負(fù)荷變化時，加汽側(cè)壓力和溫度相應(yīng)變化。尤其在調(diào)峰幅度大，調(diào)峰速度過快或負(fù)荷突變時，在使用定速給水泵的條件下，水側(cè)壓力也會發(fā)生較大的變化，甚至可能超過高加給水的額定壓力：這些變化會使管板發(fā)生變形導(dǎo)致管子端口泄漏或管板發(fā)生永久變形。

如果高加的進汽門內(nèi)漏，則在主機運行中停運高加后，會使高加水側(cè)被加熱而定容升壓，如水側(cè)無安全閥或安全閥失靈，壓力可能升得很高，也會使管板變形。

1.3堵管工藝不當(dāng)

一般常用錐形塞焊接堵管。打入錐形塞時用力要適度；捶擊力量太大，引起管孔變形，影響鄰近管子與管板連處，會造成損壞而使之出現(xiàn)新的泄漏。焊接過程中，如預(yù)熱、焊縫位置及尺寸不合適，會造成鄰近管子與管板連接處的損壞。采用其他堵管方法，如脹管堵管、爆炸堵管等，如工藝不當(dāng)，也會引起鄰近管口的泄漏。因此應(yīng)遵循嚴(yán)格的堵管工藝。

2管子本身泄漏原因

2.1沖刷侵蝕

一種原因是當(dāng)蒸汽的流動速度較高且汽流中含有大的水滴時，管子外壁受汽、水兩相流沖刷，變薄，發(fā)生穿孔或受給水壓力而鼓破。換熱器內(nèi)部產(chǎn)生汽水兩相流的主要原因：一是過熱蒸汽冷卻段內(nèi)部及其出口的蒸汽達不到設(shè)計要求的過熱度引起的；二是換熱器的疏水水位保持過低或無水位或疏水溫度遠(yuǎn)高于設(shè)計值或疏水流動阻力較大或抽汽壓力突然降低等因素使疏水閃蒸，疏水進入下一級換熱器時就帶有蒸汽，沖刷換熱器管造成損壞；三是當(dāng)高加內(nèi)某根管子發(fā)生損壞泄漏時，高壓給水從泄漏處以極大的速度沖出會將鄰近的管子或隔板沖刷破壞。另一種原因是受到蒸汽或疏水的直接沖擊。因防沖板材料和固定方式不合理。在運行中破碎或脫落，失去防沖刷保護作用；防沖板面積不夠大，水滴隨高速氣流運動，撞擊防沖板以外的管束；殼體與管束間的距離太小，使入口處的汽流速度很高。

應(yīng)力腐蝕破裂是指拉應(yīng)力和特定腐蝕介質(zhì)的共同作用而引起的金屬或合金的破裂。其特征是，大部分表面上并未遭破壞，只有一部分細(xì)裂紋穿透金屬或合金內(nèi)部。應(yīng)力腐蝕破裂能在常用的設(shè)計應(yīng)力范圍之內(nèi)產(chǎn)生，因此后果嚴(yán)重。引起應(yīng)力腐蝕破裂的重要因素有溫度、溶液成分、金屬或合金的成分、應(yīng)力和金屬結(jié)構(gòu)。

2.2管子振動

給水溫度過低或機組超負(fù)荷等情況下，通過換熱器管子間蒸汽流量和流速超過設(shè)計值較多時，具有一定彈性的管束在殼側(cè)流體擾動力的作用下會產(chǎn)生振動，當(dāng)激振力的頻率與管束自然振動頻率或其倍數(shù)相吻合時，將引起管束共振，使振幅大大的增加，導(dǎo)致管子與管板的連接處受到反復(fù)作用力造成管束損壞，管束振動損壞的機理一般有：

①由于振動而使管子或管子與管板連接處的應(yīng)力超過材料的疲勞持久極限，使管子疲勞斷裂；

②振動的管子在支撐隔板的管孔中與隔板金屬發(fā)生摩擦，使管壁變薄，最后導(dǎo)致破裂；

③當(dāng)振動幅度較大時，在跨度的中間位置相鄰的管子會相互摩擦，使管子磨損或疲勞斷裂。

2.3管子給水入口端的侵蝕

入口管端的侵蝕損壞只發(fā)生在碳鋼換熱器中，是一種侵蝕和腐蝕共同作用的損壞過程：其機理是管壁金屬在表面形成的氧化膜被高紊流度的給水破壞并帶走，金屬材料不斷損失。最終導(dǎo)致管子的破損。有時損壞面可以擴大到管端焊縫甚至管板：給水pH值低（小于9.6）、含氧量高（大于7μg／L）、溫度低（小于260℃）、紊流度大的情況下，容易發(fā)生侵蝕。

2.4腐蝕

當(dāng)?shù)蛪簱Q熱器的管材為銅，低加銅管常因泄漏嚴(yán)重而被迫更換。pH值8.5~8.8時，銅的腐蝕率最低．而碳鋼要求pH 值不小于9.5。鍋爐給水pH 值過高，導(dǎo)致了銅管的腐蝕。影響碳鋼管束腐蝕的主要因素有：含氧量和給水pH 值：當(dāng)給水中的溶解氧過高或pH 值過低，會使高加管子的內(nèi)壁受到腐蝕，故給水溶解氧的濃度不得超過7pg／L，pH 值維持在9.3~9.6 之間。如果殼側(cè)有氧氣存在，將會引起管束外壁的氧腐蝕。銅沉積：會引起點腐蝕，形成點蝕坑。溫度影響碳鋼表面Fe3O4氧化膜的形成：一般認(rèn)為在260℃％以上時，F(xiàn)e3O4氧化膜比較穩(wěn)定．低于這個溫度時，F(xiàn)e3O4氧化膜的保護程度取決于給水的pH 值和其他環(huán)境因素。pH 值大于9.6 時，安全。

2.5材質(zhì)、工藝不良

管子材質(zhì)不良，管壁厚薄不均，組裝前管子有缺陷，脹口處過脹，管子外側(cè)有拉損傷痕等，在換熱器遇到異常工況時，會導(dǎo)致管子大量損壞。

三、處理對策

1泄漏發(fā)生以后的處理措施

泄漏發(fā)生時造成給水壓力降低，送至鍋爐的給水量減少。因此在發(fā)現(xiàn)換熱器管系泄漏時要立即停運換熱器，減少管子的損壞數(shù)量，減輕損壞程度。機組停運時，應(yīng)檢查高加是否泄漏，并想辦法消除。

對于端口泄漏，應(yīng)刮去原有焊縫金屬再進行補焊，并進行適當(dāng)?shù)臒崽幚?，消除熱?yīng)力：對于管子本身泄漏，應(yīng)先查清管束泄漏的形式及位置，并選用合適的堵管工藝，堵塞管子的兩個端口。無論采用何種堵管工藝，為保證堵管的質(zhì)量，被堵管的端頭部位一定要經(jīng)過良好處理，使管板、管孔圓整、清潔，與堵頭有良好的接觸面。在管子與管板連接處有裂紋或沖蝕的情況下，一定要去除端部原管子材料及焊縫金屬，使堵頭與管板緊密接觸。

2預(yù)防措施

2.1端口泄漏預(yù)防措施

換熱器制造上應(yīng)有足夠厚度的管板，有良好的管孔加工、堆焊、管子脹接、焊接工藝外，運行上要使換熱器在啟停時的溫升率、溫降率不超過規(guī)定，水側(cè)要有安全閥防止超壓，檢修上要有正確的堵管工藝。

2.2管子本身泄漏預(yù)防措施

（1）沖刷侵蝕預(yù)防措施

限制殼側(cè)蒸汽或疏水的流速及防止疏冷段內(nèi)閃蒸；蒸汽冷卻段出口蒸汽要有足夠的剩余過熱度；防沖板的固定要牢固，面積足夠，材質(zhì)要好；保持殼側(cè)水位正常，禁止低水位或無水位運行。

（2）管子振動預(yù)防措施

在高加汽側(cè)安裝汽側(cè)安全門；限制殼側(cè)蒸汽或疏水的流速；管子間距要足夠大，這一方面降低了殼側(cè)流速，另一方面減小了管子互相碰撞摩擦損壞的可能性：限制管束自由段長度。

（3）管子給水入口端的侵蝕預(yù)防措施

流體在管程或管程中的流速，不僅影響對流傳熱系數(shù)的數(shù)值，而且影響污垢熱阻，從而影響總傳熱系數(shù)的大小。特別對于含有泥沙等較易沉積顆粒的流體，流速過低甚至可能導(dǎo)致管路賭塞，嚴(yán)重影響設(shè)備的使用。但增加流速又會使壓力損失顯著增大。因此，選擇適宜的流速十分重要。限制給水流速，停用一列換熱器或換熱器堵管數(shù)量較多時，都會使管內(nèi)流速明顯增大，這時應(yīng)讓一部分給水經(jīng)旁路進入鍋爐或降低機組負(fù)荷；控制給水含氧量小7μg/L，控制給水pH 值在9.2- 9.6。

（4）腐蝕預(yù)防措施

消除應(yīng)力，應(yīng)力可以有各種來源，如外加應(yīng)力、殘余應(yīng)力、焊接應(yīng)力以及腐蝕產(chǎn)物產(chǎn)生的應(yīng)力。材料選擇時，使機組變成為無銅系統(tǒng)，這對整個機組的防腐和汽水晶質(zhì)控制都有利；要有完善的放空氣系統(tǒng)，在管道連接上一般建議不采用逐級串聯(lián)的方式，以防不凝結(jié)氣體在壓力較低的換熱器中積聚；保證放空氣系統(tǒng)的正常工作，在啟動時，水側(cè)、汽側(cè)應(yīng)排凈空氣，給水水質(zhì)要合格；出廠時要有良好的防腐措施，防止貯運過程中的腐蝕，對碳鋼管換熱器，通常對汽側(cè)和水側(cè)均采取充氮防腐的辦法；換熱器停用時，通常根據(jù)停用時間的長短，分別采用充水、充汽或充氮的防腐措施，在水側(cè)適當(dāng)調(diào)節(jié)除氧水的pH 值，以起保護作用。

（5）材質(zhì)、工藝不良引起管子泄漏的預(yù)防措施

管壁至少應(yīng)在2.0mm 以上以提高抗沖刷能力。組裝前要對每根管子探傷、水壓試驗等檢驗；管束應(yīng)熱處理、無直觀缺陷；管板管孔應(yīng)保持一定的粗糙度、公差和同心度，管孔倒角或倒圓應(yīng)光滑無毛刺。

（6）預(yù)防性堵管

進行預(yù)防性堵管。建議在堵一部分管的同時在管板上開一定大小的旁路孔，以降低給水流速，減輕腐蝕，此方法在國內(nèi)外多家電廠采用過，證明可以適當(dāng)延長換熱器壽命，減少泄漏次數(shù)。

（7）流程的選擇

在換熱器中，哪一種流體流經(jīng)管程，哪一種流經(jīng)殼程，可考慮下列幾點做為選擇的一般原則：

a）不潔凈或易于分解結(jié)垢的物料應(yīng)當(dāng)流經(jīng)易于清洗的一側(cè)。對于直管管束，上述物料一般應(yīng)走管內(nèi)，但當(dāng)管束可以拆出清洗時，也可以走管外。

b）需要提高流速以增大其對流傳熱系數(shù)的流體應(yīng)當(dāng)走管內(nèi)，因為管內(nèi)截面積通常比管間的截面積小，而且易于采用多管程以增大流速。

c）具有腐蝕性的物料應(yīng)走管內(nèi)，這樣可以用普通材料制造殼體，僅僅管子，管板和封頭要采用耐蝕材料。

d）壓力高的物料走管內(nèi)，這樣外殼可以不承受高壓。

e）溫度很高或很低的物料應(yīng)走管內(nèi)以減少熱量的散失。當(dāng)然，如果為了更好的散熱，也可以讓高溫的物料走殼程。

f）蒸汽一般通入殼程，因為這樣便于排出冷凝液，而且蒸汽較清潔，其對流傳熱系數(shù)又與流速關(guān)系小。

g）粘度大的流體，一般在殼程空間流過，因在設(shè)有擋板的殼程中流動時，流道截面和流向都在不斷改變，在低Re數(shù)下（Re大于100）即可達到喘流，有利于提高管外流體的對流傳熱系數(shù)。

以上各點不可能同時滿足，而且有時還會互相矛盾、故應(yīng)根據(jù)具體情況，抓住主要方面，作出適宜的決定。

審核編輯：郭婷