管壳式换热器管束失效的原因分析
管壳式换热器、合成塔和废热锅炉的管束是薄弱点,更容易失灵。管束失灵的形式主要包括腐蚀开裂。传热水平快速降低、撞击损坏、管子切开、管束泄漏等多种。比较常见的原因如下:
腐蚀:
换热器多使用碳钢制作,冷却水中溶解的氧所引起的氧极化腐蚀非常严重,管束寿命往往就那么几个月或一二年,加上介质又有很多都是有腐蚀性的,如小氮肥的碳化塔冷却水箱,在高浓度碳化氨水的腐蚀和碳酸氢氨结晶腐蚀双重作用下,碳钢冷却水箱有时候仅运行二三个月就出现泄漏。
积垢:
在换热器操作过程中,管束里外壁都会积垢,而污垢层的热阻要比金属管材大很多,进而导致换热水平快速降低,严重的话会使换热介质的流道阻塞。
流体流动诱导振动:
为强化传热和减少污垢层,通常采用增大壳程流体流速的方法。而壳程流体流速增加,造成诱导振动的概率也将会大大增加,进而导致管束中管子的振动,最终致使管束损坏。比较常见的损坏形式有以下几种:
1、撞击损坏
当管子的振幅够大时,将致使管子之间相互撞击,处于管束外围的管子还会和换热器壳体内壁发生碰撞。在撞击中,管壁磨损变薄,最终发生开裂。
2、折流板处管子切开
折流板孔和管子之间有径向间隙,当管子发生横向振动的振幅较大时,就会引发管壁与折流板孔的内表面间造成反复撞击。由于折流板厚度不太大,管壁多次、频繁与其接触,将承受很大的冲击载荷,因此在不长的时间里就可能发生管子被切开的局部性损坏。
3、管子与管板连接处损坏
该连接结构可以看作固定端约束,管子振动造成横向挠曲时;连接处的压力较大,所以,它是比较容易造成管束失灵的区域之一。
4、材料缺陷的扩展造成失灵
管子材料本身存在缺陷(包括腐蚀和磨蚀造成的缺陷),那么在振动所引起的交变应力作用下,处于主应力方向中的缺陷裂纹会快速扩展,从而造成管子失灵。
5、振动交变应力场中的拉应力也会成为应力腐蚀的压力源
流动诱导振动引起管子损坏,易发生在挠度相对较大和壳程横向流速较高的区域。此区域通常是U形弯头、壳程进出口接管区、管板区、折流板缺口区和承受压缩应力的管子。