列管式换热器失效原因分析及其改进措施

列管式换热器是乙炔法生产聚氯乙烯的关键设备。由于应力作用及腐蚀等问题而引起列管式换热器换热管与管板的连接失效，继而造成非正常停车检修，严重影响了正常生产。针对上述情况，笔者对换热管与管板连接接头失效原因进行了分析，在该设备结构设计和制造方面提出并实施了相应的改进措施。

1、基本结构及主要技术参数

列管式换热器的外形尺寸为φ2400mm×3000mm、换热管φ57mm×3.5mm（图1），壳程有3块折流板，分上下两层冷却，冷却介质为90~100℃软水；管程温度80~220℃，物料介质为乙炔、氯化氢和氯乙烯。

2、换热管与管板的连接接头泄漏原因分析

常州化工厂原使用的列管式换热器大部分为胀管，有机械胀接和液压胀接，也有少部分焊管。这3种连接方式的列管式换热器均发生过泄漏失效。

2.1机械胀接接头泄漏原因分析

推进式机械胀管主要是通过控制电流的大小来控制胀管器滚锥的转动，最终使换热管产生变形而达到与管板连接的目的。这种胀管方法易使换热管产生过胀或欠胀，换热管内壁易产生加工硬化，如润滑不好，还会磨损起毛。换热管与管板的连接在整个长度上的应力分布不均匀。在温差变化和应力的作用下，只要加工过程中有微小的缺陷，如管孔纵向划痕，腐蚀介质的微量侵入就会使换热管与管板的连接失效，如发现不及时，壳程冷却水渗入管程后，会引起大片管子与管板的连接失效，此时修复也较为困难：若采用胀管修复，管孔的密封面已被腐蚀，很难完全胀紧，开车后，加上管板平面上的腐蚀凹坑中易积聚腐蚀介质而再次腐蚀引起连接失效；若采用焊接方式修复，易使附近其他换热管受热变形而松动。

2.2液压胀接接头泄漏情况分析

液压胀接时换热管不易产生过胀，胀接部位不产生窜动，换热管与管板连接处在整个长度上的应力分布是均匀的，从理论上讲，可靠性较机械胀接好。根据液压胀接原理及GB151-1998有关条款，槽间距和槽宽为8~9mm。这样，就使得管子与管板之间的胀接面积相对减少，管板的厚度必须加大。而且，液压胀接对管孔的精度要求及开槽精度要求特别严格。由于管板孔加工是大批量生产，必须保证100%的没有缺陷才行。失效后采用胀管修复后，由于腐蚀凹坑的存在，易再次失效。

2.3焊接接头泄漏失效的主要原因分析

焊接时，由于高温产生热影响区的附近组织出现塑性变形，加上焊接时未完全按工艺要求施焊，易形成较大的残余应力和应力集中，这是产生腐蚀的主要原因。本设备管程主要介质是氯乙烯、氯化氢及乙炔等，特别是工艺上含水率偏高时，CI^-、H⁺等这种腐蚀环境，发生应力腐蚀开裂，造成换热管与管板连接接头处失效泄漏。另外，焊接微气孔、裂纹、夹渣等缺陷，也是造成腐蚀失效的重要因素。

3、结构设计上的改进和制造过程中的几个关键问题

3.1结构设计上的改进

在壳程上层的冷却水出口处前增设溢流挡板，保证冷却水充满整个空间，消除壳程冷却水空隙形成的空气层，避免上管板与换热管连接处干湿变化引起腐蚀；换热管与管板的连接采用强度焊加贴胀的结构（图2），贴胀消除管子与管板孔之间的间隙防止间隙腐蚀的产生，并增强抗疲劳破坏的能力；采用液压胀管；增加管板厚度，保证胀接长度。

3.2制造过程中的几个关键问题

制造过程中应注意以下几点：

a.严格控制管孔的加工精度。金加工中必须保证划线正确，管板应采用φ40mm、φ57.5mm钻头钻孔和扩孔，再加φ57.8mm或φ57.9mm,绞刀绞孔，以消除管孔的纵向划痕，并保证管孔尺寸精度的一致性。管孔焊接倒角2×45°，钻孔时必须用乳化液冷却，避免水冷却而引起管板孔锈蚀。管桥宽度偏差必须符合GB151的规定。

b.折流板与管板必须固定在一起加工，最后拆开进行一次扩孔、倒角，以保证所有管孔同心，并做好方位标记，避免穿管困难。

c.换热管外径偏差必须符合国标。采用经退火处理过的换热管，材质20^#钢。两端表面必须磨管除锈，去除氧化层，除锈长度大于70mm，并及时穿管组装。换热管长度一致，最好在车床上车削两端并倒角，以确保换热管管板两端整齐一致。

d.穿管前必须将管孔清理干净，穿管后要再次将留在管板孔中的铁锈等清理干净。

e.控制焊接工艺，防止大电流焊接引起过热，造成组织晶粒粗大及产生过大的残余应力。不允许有气孔、裂纹及夹渣等缺陷。

f.贴胀采用液压胀接的方法，保证管板与管子的连接处胀度一致，整个长度上应力分布均匀。胀接采用的液压大小要做小样试验，据经验选择一压力，进行小批管子的胀接，实测胀前胀后管子内径，用管子的内径增大率来计算胀管率。最后，选择一适当的液压进行胀管。

g.设备制造完毕后，进行水压试验，保证时间适当加长，可以消除部分应力。水压试验合格后，进行气密性试验。

h.设备安装前，对两端管板进行涂层防腐处理。防腐层一定要覆合紧密，不能脱壳，如产生脱壳易形成高浓度腐蚀环境，引起管子与管板连接接头失效。建议选用耐高温耐腐蚀的氟碳涂料。

4、结束语

由于对列管式换热器在结构设计和制造中采取了以上措施，因而使得该设备使用寿命明显增加，非正常停机检修很少发生，生产更加稳定可靠。

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