列管式換熱器是石化行業(yè)廣泛使用的熱交換設備,其質(zhì)量的好壞直接影響到石油化工企業(yè)的安全和經(jīng)濟效益。目前,由于各種原因產(chǎn)生的換熱器泄漏,造成了物料的浪費和環(huán)境的污染,影響著生產(chǎn)裝置的正常運行和工廠的經(jīng)濟效益,已成為生產(chǎn)中不可忽視的問題。了解換熱器可能產(chǎn)生泄漏的部位和產(chǎn)生泄漏的普遍原因,并從設計、制造、使用三個環(huán)節(jié)著手加以控制,就能大大降低換熱器的泄漏率。筆者對大量不同種類換熱器的泄漏發(fā)生部位及產(chǎn)生泄漏的原因進行分析,并提出相應的對策,為換熱器的設計、制造和使用提供參考。1換熱器主要泄漏機理1.1溫差應力及熱疲勞　　

換熱器在石化行業(yè)中應用非常廣泛,蒸汽發(fā)生器、再沸器、鍋爐給水預熱器等都是典型的換熱設備。大多數(shù)換熱器在運行過程中,管殼程流體之間都存在著一定的溫差,多管程的換熱器各程換熱管之間也存在著較大的溫差,溫差導致管板兩側和換熱管之間產(chǎn)生溫差應力。當溫差應力達到一定數(shù)值時,金屬便會產(chǎn)生塑性變形和蠕變。如果換熱器的操作溫度周期性地變化,或者操作工況為反復加壓、升溫和卸壓、降溫的過程,那么熱應力反復變化會使設備產(chǎn)生熱疲勞。調(diào)查發(fā)現(xiàn),很多煉油廠的蒸汽發(fā)生器都是由于這種原因而泄漏失效的。1.2管束振動　　

介質(zhì)垂直于管束橫向流動是流體誘發(fā)振動的主要根源,如果流入殼程的是氣體,在與流動方向及管子軸線都垂直的方向上將形成聲學駐波。當聲學駐波的頻率與卡曼旋渦頻率和紊流抖振主頻率一致時,還會激發(fā)產(chǎn)生聲學駐波振動。在操作過程中,管束振動將引起管板與管子之間的熔敷金屬中存在的氣孔和其他缺陷擴大或擴展,發(fā)展到一定程度時這些缺陷就會被擊穿或?qū)е缕陂_裂。振動與換熱器管子的固有頻率有關,而固有頻率與管束的結構、尺寸有關,因此換熱器本身的設計缺陷是導致管束振動的原因。本次調(diào)查分析的多臺再沸器[2,3],其殼程走中、高壓蒸汽,管程走液體,都是在運行不久后就產(chǎn)生泄漏,修復后又規(guī)律性地隔三個月就漏。起初考慮了溫差應力,但重新設計制造的再沸器加了膨脹節(jié)后,情況仍未改善。而揚子石化芳烴廠和上海石化芳烴廠的同類裝置中的再沸器也是采取管程走中、高壓蒸汽,殼程走液體,但投產(chǎn)多年來沒有出現(xiàn)過泄漏,這說明中、高壓蒸汽壓力高、流速大,設計方面的缺陷引起的誘導振動才是換熱器泄漏的主要原因。1.3制造過程中的缺陷　　

焊接質(zhì)量是換熱器制造上的關鍵。換熱器管子與管板焊接時[4],在焊縫兩側形成熱影響區(qū),這是焊接接頭的薄弱部位,容易產(chǎn)生殘余變形和殘余應力,即容易形成應力腐蝕的基本條件。若遇到腐蝕環(huán)境的影響,例如在H2S、OH-等環(huán)境中(奧氏體不銹鋼在Cl-、OH-等環(huán)境中),就會發(fā)生應力腐蝕開裂,造成換熱管接頭處泄漏。管子與管板之間的縫隙處存在不流動液體,與縫隙外液體形成濃差電池,引起縫隙腐蝕,也會造成換熱管接頭處泄漏。管子與管板焊接結構的特點是具有排列緊密的小圓形單道焊縫,管板較厚,如果焊接工藝不當,就易造成焊縫根部夾渣、熔合不良、裂紋、氣孔等焊接缺陷。在運行過程中這些缺陷受到交變應力的影響便會擴展,使泄漏通道擴大,導致泄漏。這已成為換熱器失效的普遍原因。

采用強度脹接的換熱器在脹接時,管板與換熱管應有適當?shù)挠捕炔?否則管子回彈大于管板,造成脹接不緊。另外,當管子外徑與管板管孔之間的間隙較大時,要達到脹緊目的,管子就必須有較大的變形量。管子在脹接變形量增加的同時,其硬度也隨之增加,從而使換熱管的硬度更加大于管板硬度,導致脹接更加不緊]。1.4操作因素　　

換熱器在運行過程中,由于生產(chǎn)工藝本身的特點或者由于工藝操作不規(guī)范導致介質(zhì)壓力不穩(wěn),溫度驟變引起沖擊熱應力。這種操作壓力和溫度的瞬間波動將導致管板法蘭密封面上墊片的壓緊力發(fā)生變化,反復循環(huán),致使法蘭螺栓松動,密封失效。熱沖擊是以極大的速度和沖擊形式施加的,造成比熱疲勞更大的溫度梯度,可以使材料失去延性,發(fā)生脆斷[6]。2換熱器發(fā)生泄漏的位置及原因分析　　

綜上所述,導致?lián)Q熱器發(fā)生泄漏的原因可能在設計、制造和使用三個環(huán)節(jié)中的某個環(huán)節(jié),也可能是二個或三個環(huán)節(jié)共同作用的結果。通過對大量換熱器的分析,現(xiàn)將泄漏產(chǎn)生的位置及其產(chǎn)生的原因歸納如表1所示。

3結論　　

針對不同位置由于不同原因造成的泄漏,應采用不同的辦法加以解決。設計因素引起的失效,往往需要重新進行結構設計和改造;制造過程產(chǎn)生的焊接缺陷應進行修復改善;操作不當則比較容易改進。

3.1設計時應注意的問題

(1)介質(zhì)垂直于管束橫向流動是流體誘發(fā)振動的主要根源,而影響橫流速度的關鍵因素是殼程進口端第一塊折流板與管板之間的距離和折流板間距。在流體壓力降允許的條件下,縮短折流板間距,增大換熱管直徑,可以提高管束的固有頻率,減小橫流速度,達到防止管束振動的目的。用折流桿代替折流板支撐,可以徹底解決流體誘導振動問題。

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