列管式换热器常见故障与处理方法的探讨
工业生产过程中，热量与冷量的合理而有效利用，是非常重要的。为了满足生产需要，实现流体之间热量传递，使冷热流体温度，能达到工艺所要求的指标，经常会使用多种形式的换热设备。[1]特别是在石油和化工行业，换热设备占设备总数量的 40 %左右，占设备总投资的 30 %~45 %左右[1]。
换热设备类型众多，列管式换热器是应用最为广泛的间壁式换热器。列管式换热器在使用过程中，由于介质的冲刷、腐蚀、振动等原因，都可能造成列管损坏和泄漏失效，因此应定期对换热器进行检查。及时发现故障，采取相应的措施进行修理。列管式换热器常见的故障有管壁积垢、列管泄漏和列管振动等。[2]
1·管壁积垢的处理
1.1 管壁积垢的原因
在生产过程中，由于冷却介质(冷却水等)硬度较高，或介质中含有泥沙、悬浮物、颗粒物等，都会使换热管内、外壁严重积垢[3]。积垢会严重阻碍流体通过，随着积垢层不断加厚，热阻相应增大，从而影响换热效率。
1.2 管壁积垢的检查方法
通过测量冷热流体出口温度来检验，如果被冷却介质出口温度超过冷却介质出口温度的 1.1 倍时，说明换热器已经积垢，应采取相应的方法进行清除。
1.3 管壁积垢的清除方法
1.3.1 手动机械除垢法
利用手动摩擦、切削、刷、磨、抛光、喷砂等方法清除管壁积垢。该方法操作简便，设备简单，但生产效率较低，劳动强度较大。只能适用于容积小，列管容易拆卸和更换的换热器。
1.3.2 喷射清洗法
利用高压水冲洗管板和管束，也是除去管束内外表面及管板积垢的一种有效方法。该方法适用于设备容积小，污垢容易清除，且管程和壳程容易拆卸的换热器。
1.3.3 机械清洗法
清除列管式换热器管内积垢时，经常用到的是风动或电动工具除垢法。
对于管径大于 60 mm 的换热器，把风动涡轮机和清除工具(刷子、钻头、刀具等)一起放进换热管内，风动涡轮机连上软管，在软管中不断通入高压空气，清除工具在风动涡轮机的带动下，高速旋转，积垢就可以从管壁上刮削下来。[2]
对于管径小于 60 mm 的换热器，受尺寸限制，电动或风动涡轮机不能与清除工具一起放到管子中去。利用清除工具末端的螺纹连接万向联轴器，万向联轴器连上软轴，风动涡轮机通过软轴带动清除工具高速旋转。在离心力的作用下，清除工具作锥形运动，刮削和冲击积垢，积垢被剥离下来。[2] 积垢清除原理如图 1所示。
该方法不但适用于直管，而且还可以除去弯管的积垢，但在除垢过程中，清除工具可能对管壁造成刮伤，或因为机械振动导致管束松动等。因此，该方法也有一定的负面效应。
1.3.4 化学清洗法
利用化学清洗液在换热器内进行循环，使污垢与清洗液进行化学反应，达到溶解并除去污垢的效果。常用的化学清洗剂是 5 %~10 %的盐酸溶液。在化学清洗过程中，为了保证适当的清洗液浓度，应按时补充新鲜溶液。在化学清洗结束时，清洗液浓度应保持在初始浓度的 50 %以上。该方法适用于大型列管式换热器，设备不需要拆卸就可以除去污垢[4]。
在化学清洗的过程中，清洗液不仅能与水垢起化学反应，而且会与设备本体金属起化学反应，对设备本体造成腐蚀。因此，化学法清洗结束后，应立即用蒸汽或清水进行洗涤。
化学清洗的循环装置见图2。清洗工艺流程为：化学清洗液贮存在贮槽 1 内，用离心式循环泵4，把清洗液打到列管式换热器3 的壳程中，溶液与积垢进行化学反应，达到除去积垢的目的。清洗完后的溶液流入沉降槽2 中沉淀。澄清后的溶液，通过溢流管回流到清洗液贮槽1 中，循环使用。该方法不仅可以除去换热器管外积垢，还可以除去管内积垢。
1.3.5 混合清洗
假如积垢中含有碳渣、煤粉及其他不易清除的油性物质，靠单一的化学清洗或机械清洗，都不能达到理想的除垢效果，因此，需采用化学清洗联合喷射清洗的方法来除垢。需要强调的是，化学清洗后，由于清洗液会对管壁造成一定的腐蚀，管壁将会变薄，应调整水压，防止压力过高造成管子爆裂。
2·列管泄漏的修理
2.1 列管泄漏的原因
列管泄漏主要是因为腐蚀而引起的，产生腐蚀的原因主要有：介质本身具有腐蚀性，对设备本体造成腐蚀；积垢对管子造成腐蚀；异物积聚在管子内外壁上，管子产生局部腐蚀；管程流体速度过大，对管子形成冲蚀；管程流体流速太小，一些沉淀物附着在管内壁上，出现电位差，导致管子腐蚀等[5]。
2.2 管子泄漏检查的方法
通常情况下，检查管子是否泄漏的方法是：在冷却介质出口设置取样管，定期对冷却介质取样并化验分析。假如冷却介质中出现另一种物料成分，说明出现了泄露的管子。
2.3 检查某根管子泄漏的方法
(1)对于管束能够拆除的换热器，在检查是否泄露时，先把管板与管束一起从换热器壳体中拆除下来，管板一端加盲板，将管束浸泡入水池中，分别从各管口通入压缩空气，如果管子有泄漏，则泄漏点有气泡冒出，在该管管口作上标记。
(2)对管束无法拆除的固定管板式换热器，可拆除换热器一端封头，在此端管板处加盲板；拆除另一端封头，从壳程流体入口管通入循环水，充满壳程，如果某根管子出现泄漏，则水从该管管口流出，然后在该管口作上标记。
2.4 泄漏列管的修理方法
根据列管泄漏数量的多少，采用不同的修理方法。
2.4.1 对少数列管泄漏的处理
如果管束中仅有一根或为数不多的几根管子泄漏时，对换热器的换热效率不会造成大的影响，对泄漏的管子，用带锥度的金属塞分别堵塞两端管口，被堵塞的管子不再使用。通常情况下，被堵塞管子数量小于列管总数的 10 %[2]。
2.4.2 对较多列管泄漏的修理
如果管子泄漏较多，只能采取更换新管子方法来处理。
(1)拆除油冷却器等薄壁金属管时，可采用铰孔或钻孔的方法，也可使用尖錾錾削涨接的管口。铰孔或钻孔时，把列管在管板孔口内胀接部分的基本金属切削掉，列管将会从管板孔口中拆除出来。錾削拆除时，利用尖錾錾削胀接部分管口，使其向里收缩，将列管与管板脱离，从管板的孔口中拆除管子[6]。
(2)对于壁厚较厚的管子，可先用氧-乙炔火焰，在列管胀接部分切割出 4~8 个豁口，用手锤等工具把列管管口向里敲击使其收缩，使管子与管板上的孔口脱开，然后用专用工具牵拉出管子。 更换上的新管子，规格与材质与原来管子一致。根据不同的生产工艺、工作温度、操作压力、管道材质、流体性质等，列管与管板采取不同的连接方式。通常情况下，连接方法有焊接、胀接和胀焊相结合三种方法[7]。
另外，还可以根据工艺条件不同，选择合适的列管材料；在冷热介质中加入缓蚀剂等方法，预防管子腐蚀泄漏。
3·列管振动的消除
3.1 列管产生振动的原因
(1)为了加强传热和减小结垢，常采用提高壳程流体流速的方法，但流体流速提高往往会诱导管束振动。[7]
(2)列管式换热器在制造时，折流板为了穿管方便，折流板上的管孔内径，往往比管子外径大 3~4 mm，这将不可避免地造成管子与折流板孔边缘不断碰撞，当折流板硬度大于管子硬度时，碰撞的结果，使管子管壁变薄，甚至被割出豁口，从而出现渗漏现象。
(3)介质脉冲性流动，管子与管板胀接处的松动，换热器本身地脚螺栓松动，换热器频繁开停车等原因，都会导致管束的振动。
3.2 列管振动消除的方法
(1)对于壳程介质流速高而引起的管束振动，应根据工艺条件要求，详细计算换热器流体流速，操作中，严格控制合理的流体速度，消除管子振动。
(2)对于折流板与管子之间间隙过大而引起的振动，假如管壁严重磨损时，应采用更换新管子的方法来修理。如果管壁轻微磨损，在管壁壁厚达到极限值前，将折流板平移 20~30 mm 左右，使新的磨损部位偏离原来位置。在折流板强度、许用应力等条件许可的情况下，移位次数可以达到 3~4 次，这样就可以很大程度的延长管子的使用寿命。另外，制造时，折流板管孔应加工得圆滑平整，不应有拉毛、锐边、倒角等现象；还可以通过缩短折流板之间的距离，增加折流板的数量，增大管壁厚度等多种方法，来消除管子振动。
(3)对于流体脉冲性流动引起的管子振动，应采取减小或消除流体脉冲性流动的措施，来消除管子振动。比如，通过改造换热器结构，使流体脉动流方向与管束自重方向一致；或在流体入口前增设缓冲板；或在管路中增设缓冲器，使流动顺畅平稳，消除列管振动。
(4)对于管子与管板孔口胀接部分松动失效，处理的方法是：重新涨接，再补焊，即采用涨焊相结合的方法。或拆除旧的换热管，更换上新的列管，新管子与管板的连接方式，采用贴胀加强度焊的结构，来消除管子与管板孔之间的“环隙腐蚀”，来消除管子振动。
4·结束语
针对列管式换热器出现的结垢、泄漏和振动等故障，分析了故障产生的原因，提出了相应的处理办法[8]。另外，在选用设备时，不仅要严把设计、制造、质量关口；还要对操作人员加强培训，使其熟练掌握工艺条件、设备性能；还有，对设备做到按时巡检，定时对介质取样分析，定期维护，定期检查和定期清洗，从而延长换热器使用寿命，为实现稳定、高效化工生产打下良好的基础。
参考文献
[1]向寓华．化工容器与设备[M]．北京：高等教育出版社，2009．
[2]张麦秋，傅伟．化工机械安装与修理[M]．北京：化学工业出版社，2010．
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[4]张俊杰，等．换热器管束流体激振研究的新思路[J]．核动力工程，2003，24(6)：517-520．
[5]符兴承，吴金星．管壳式换热器管束振动分析及防振措施[J]．化学工业与工程技术，2003，24(3)：26-28．
[6]夏广成．换热器浮头密封原因分析及处理[J]．石油化工设备技术，2003，24(4)：64-66．
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[8]刘春雷，栾江峰．管壳式换热器常见失效形式浅析及对策探讨[J]．化工装备技术，2008，29(3)：38-40．