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摘要 管壳式换热器由于结构复杂和工况的多样性，常引发多种形式的失效。本文阐述了管壳式换热器常见的失效形式、失效的原因及预防措施，介绍了管壳式换热器失效的在线检测方法，为管壳式换热器的设计、制造和使用提供借鉴。
关键词：管壳式换热器 管束 失效 预防措施
1 .前言
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而广泛应用于石化生产行业。然而，由于结构的复杂性和使用工况的多样性，也常常出现局部失效甚至整体报废。某石化公司各生产装置管束式换热器每年故障及更换管束所花费就达数百万元，而且影响装置生产的平稳运行及环保达标。
2 .管壳式换热器管束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、换热管、接管、管板、折流板、封头等，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，尤其是应力突变处易引起失效，如筒体和管板的焊缝处；从使用工况分析，频繁地开停机而引起换热管的流体诱导振动、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等，都会造成筒体、换热管甚至整机失效。
2.1振动失效
壳程流体流速的提高及换热器经常开停会导致管束的诱导振动，最终使管束失效。由于管束的支撑物——折流板的尺寸及布置不同，流体诱导振动的程度各异，具体的失效形式有：①碰撞破坏。当管束的振幅足够大时，换热管之间互相碰撞，管束外围的换热管与壳体内壁发生碰撞，使管壁磨损变薄，最终发生开裂；②折流板处换热管切开。折流板孔和换热管之间一般存在徑向间隙，换热管的横向振动会引起管外壁与折流板孔的内表面产生摩擦，如果折流板的厚度较小，就会对换热器产生“锯切”作用，在短时间内将换热管“切开”发生局部失效；③疲劳失效。换热管材料本身存在缺陷或者由于腐蚀和磨损产生了缺陷，在振动引起的交变应力作用下，位于主应力方向上的裂纹会迅速扩展，导致换热管疲劳失效。
预防措施：①合理开停工。在流体入口前设置缓冲板，减少脉冲；②优化结构设计，减小折流板间距，增大管壁厚度和折流板厚度；③折流板上的管孔与换热管采用紧配合，控制间隙；④改变支撑物形式，如折流板改为折流杆，有效消除流体诱导振动。
2.2腐蚀和磨蚀失效
腐蚀是管壳式换热器主要失效形式。除了换热介质本身的腐蚀性外，工作介质中的氧、氢、硫、氯等含量较高，壳体或换热管存在拉应力，换热管与管板之间存在缝隙等都会加重腐蚀，进而引起换热器失效。腐蚀的形态主要有：均匀腐蚀、孔蚀、晶间腐蚀、应力腐蚀、冲蚀、缝隙腐蚀、氢腐蚀、双金属腐蚀八种类型。常见的腐蚀部位依次是换热管、管板、换热器封头及小直径接管。腐蚀和磨蚀失效的主要原因：①污垢腐蚀；②流体为腐蚀性介质；③管内壁有异物积累而发生局部腐蚀；④管内流速过大而发生磨蚀；⑤管端发生缝隙腐蚀等。
预防措施：①工艺介质具有酸碱性，在换热器设计选材时就做了相应考虑，所以一般只会引起均匀腐蚀，不是腐蚀失效的主要原因。②氧腐蚀。换热器多为碳钢制造，冷却水中溶解的氧所致的氧极化腐蚀极为严重。预防措施：对冷却水尽可能除氧；采用铬锰钢等抗氧化腐蚀能力强的钢材。③氢腐蚀。在高温高压临氢环境下，金属中的碳与氢发生反应生成甲烷气体。另外，溶解在铁晶格中的氢原子在低温低压下易聚集成氢分子。如果生成的气体位于金属深层，就会造成氢致开裂。预防措施：降低氢浓度。④硫腐蚀。硫主要以硫化氢的形式存在，硫化氢在有水分且浓度达到10ppm以上时，如果金属材料硬度低于HB235，就可能产生硫化氢应力腐蚀，金属失效形式也是氢鼓泡或氢致开裂。预防措施：提高金属材料的强度，降低硫化氢的浓度。⑤应力腐蚀。应力腐蚀是金属材料在拉应力和特定的腐蚀环境共同作用下，以裂纹形式发生的腐蚀失效。产生应力腐蚀的条件主要有三个：拉应力、特定的介质环境、特定成分组织的金属。防止应力腐蚀的主要措施：消除拉应力，如对装配应力可通过热处理等方法加以消除；控制介质浓度和温度；合理选材，如选用高纯度铁素体不锈钢等材料来制造换热管。⑥缝隙腐蚀：换热器中由于两构件接触面存在很小的缝隙，介质进入到缝隙死角中，造成内外的介质浓度差，在电化学作用下发生缝隙腐蚀。如换热管与管板之间的焊接处以及污垢的附着部位都会发生缝隙腐蚀。预防措施主要是减小缝隙、减小结垢等。
3 .管壳式换热器失效的在线检测方法
3.1 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。可通过定期检查流量和压力温度等记录来判定结垢情况进行处理。
3.2 腐蚀和磨损
换热介质、污垢、流体速度等都会使换热器壳体和换热管内、外表面产生腐蚀磨损。对壳体通常采用超声波测厚仪或其他非破坏性测厚仪，从外部测定和估计会产生腐蚀、减薄的壳体部位。对换热管在破裂钱腐蚀和磨损情况检测方法是：对于非磁性体换热管，最有效的诊断方法是采用涡流探伤，可测定换热管壁厚减薄量，也可测得缺陷厚度。
3.3 泄漏
换热管中部由于腐蚀、诱导振动等原因发生破裂，管端由于腐蚀、高温蠕变、疲劳破坏等原因使换热管与管板的连接处泄漏，可通过低压流体出口取样分析其颜色、粘度、比重来检测管束的泄漏和破坏情况。如果低压介质为水或气体，则通常采取就地排液的方法加以直观判断。
3.4 振动
换热管与泵、压缩机共振，回转机械产生的直接脉动冲击，以及流体诱导振动等，可通过振动测试仪或由振动声响来判断振动情况。
4 结束语
由分析可见，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，防患于未然。
参考文献
1 孙结实.换热管与管板的连接方式述评.化工设备设计.1997
2 孙晓峰等.管壳式换热器的腐蚀与防护分析.化工装备技术.1997
3 蔡仁龙.换热器管板与换热管连接接头质量浅谈.化工设备与管道.2000
4 程林.换热器内流体诱导振动[M].北京：科学出版社.2001
关键词：管壳式换热器 管束 失效 预防措施
1 .前言
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而广泛应用于石化生产行业。然而，由于结构的复杂性和使用工况的多样性，也常常出现局部失效甚至整体报废。某石化公司各生产装置管束式换热器每年故障及更换管束所花费就达数百万元，而且影响装置生产的平稳运行及环保达标。
2 .管壳式换热器管束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、换热管、接管、管板、折流板、封头等，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，尤其是应力突变处易引起失效，如筒体和管板的焊缝处；从使用工况分析，频繁地开停机而引起换热管的流体诱导振动、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等，都会造成筒体、换热管甚至整机失效。
2.1振动失效
壳程流体流速的提高及换热器经常开停会导致管束的诱导振动，最终使管束失效。由于管束的支撑物——折流板的尺寸及布置不同，流体诱导振动的程度各异，具体的失效形式有：①碰撞破坏。当管束的振幅足够大时，换热管之间互相碰撞，管束外围的换热管与壳体内壁发生碰撞，使管壁磨损变薄，最终发生开裂；②折流板处换热管切开。折流板孔和换热管之间一般存在徑向间隙，换热管的横向振动会引起管外壁与折流板孔的内表面产生摩擦，如果折流板的厚度较小，就会对换热器产生“锯切”作用，在短时间内将换热管“切开”发生局部失效；③疲劳失效。换热管材料本身存在缺陷或者由于腐蚀和磨损产生了缺陷，在振动引起的交变应力作用下，位于主应力方向上的裂纹会迅速扩展，导致换热管疲劳失效。
预防措施：①合理开停工。在流体入口前设置缓冲板，减少脉冲；②优化结构设计，减小折流板间距，增大管壁厚度和折流板厚度；③折流板上的管孔与换热管采用紧配合，控制间隙；④改变支撑物形式，如折流板改为折流杆，有效消除流体诱导振动。
2.2腐蚀和磨蚀失效
腐蚀是管壳式换热器主要失效形式。除了换热介质本身的腐蚀性外，工作介质中的氧、氢、硫、氯等含量较高，壳体或换热管存在拉应力，换热管与管板之间存在缝隙等都会加重腐蚀，进而引起换热器失效。腐蚀的形态主要有：均匀腐蚀、孔蚀、晶间腐蚀、应力腐蚀、冲蚀、缝隙腐蚀、氢腐蚀、双金属腐蚀八种类型。常见的腐蚀部位依次是换热管、管板、换热器封头及小直径接管。腐蚀和磨蚀失效的主要原因：①污垢腐蚀；②流体为腐蚀性介质；③管内壁有异物积累而发生局部腐蚀；④管内流速过大而发生磨蚀；⑤管端发生缝隙腐蚀等。
预防措施：①工艺介质具有酸碱性，在换热器设计选材时就做了相应考虑，所以一般只会引起均匀腐蚀，不是腐蚀失效的主要原因。②氧腐蚀。换热器多为碳钢制造，冷却水中溶解的氧所致的氧极化腐蚀极为严重。预防措施：对冷却水尽可能除氧；采用铬锰钢等抗氧化腐蚀能力强的钢材。③氢腐蚀。在高温高压临氢环境下，金属中的碳与氢发生反应生成甲烷气体。另外，溶解在铁晶格中的氢原子在低温低压下易聚集成氢分子。如果生成的气体位于金属深层，就会造成氢致开裂。预防措施：降低氢浓度。④硫腐蚀。硫主要以硫化氢的形式存在，硫化氢在有水分且浓度达到10ppm以上时，如果金属材料硬度低于HB235，就可能产生硫化氢应力腐蚀，金属失效形式也是氢鼓泡或氢致开裂。预防措施：提高金属材料的强度，降低硫化氢的浓度。⑤应力腐蚀。应力腐蚀是金属材料在拉应力和特定的腐蚀环境共同作用下，以裂纹形式发生的腐蚀失效。产生应力腐蚀的条件主要有三个：拉应力、特定的介质环境、特定成分组织的金属。防止应力腐蚀的主要措施：消除拉应力，如对装配应力可通过热处理等方法加以消除；控制介质浓度和温度；合理选材，如选用高纯度铁素体不锈钢等材料来制造换热管。⑥缝隙腐蚀：换热器中由于两构件接触面存在很小的缝隙，介质进入到缝隙死角中，造成内外的介质浓度差，在电化学作用下发生缝隙腐蚀。如换热管与管板之间的焊接处以及污垢的附着部位都会发生缝隙腐蚀。预防措施主要是减小缝隙、减小结垢等。
3 .管壳式换热器失效的在线检测方法
3.1 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。可通过定期检查流量和压力温度等记录来判定结垢情况进行处理。
3.2 腐蚀和磨损
换热介质、污垢、流体速度等都会使换热器壳体和换热管内、外表面产生腐蚀磨损。对壳体通常采用超声波测厚仪或其他非破坏性测厚仪，从外部测定和估计会产生腐蚀、减薄的壳体部位。对换热管在破裂钱腐蚀和磨损情况检测方法是：对于非磁性体换热管，最有效的诊断方法是采用涡流探伤，可测定换热管壁厚减薄量，也可测得缺陷厚度。
3.3 泄漏
换热管中部由于腐蚀、诱导振动等原因发生破裂，管端由于腐蚀、高温蠕变、疲劳破坏等原因使换热管与管板的连接处泄漏，可通过低压流体出口取样分析其颜色、粘度、比重来检测管束的泄漏和破坏情况。如果低压介质为水或气体，则通常采取就地排液的方法加以直观判断。
3.4 振动
换热管与泵、压缩机共振，回转机械产生的直接脉动冲击，以及流体诱导振动等，可通过振动测试仪或由振动声响来判断振动情况。
4 结束语
由分析可见，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，防患于未然。
参考文献
1 孙结实.换热管与管板的连接方式述评.化工设备设计.1997
2 孙晓峰等.管壳式换热器的腐蚀与防护分析.化工装备技术.1997
3 蔡仁龙.换热器管板与换热管连接接头质量浅谈.化工设备与管道.2000
4 程林.换热器内流体诱导振动[M].北京：科学出版社.2001