劉鎧，張奇，李永哲

（吉林省四平地質(zhì)工程勘察院，吉林 四平 136001）

換熱器是工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用的熱量交換設(shè)備，換熱設(shè)備主要作用是使熱量從熱流體傳遞到冷流體滿足工業(yè)流程需要，換熱設(shè)備在化工廠中投資約占總投資的10%～20%。近年來，工業(yè)生產(chǎn)中對(duì)換熱器需求不斷加大，國內(nèi)使用換熱器多為列管與螺旋板換熱器。目前，管殼式換熱器在化工煉油等工業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用，新型焊接板式換熱器具有頂部溫差小、費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)，適用于冷卻冷凝、加熱等方面。板式換熱器是系列波紋板片疊加成的新型高效換熱器，因具有換熱效率高等優(yōu)點(diǎn)在石油化工等行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用。板式換熱器板片薄、傳熱效果好，板片結(jié)構(gòu)決定換熱器傳熱阻力等性能，增減板片數(shù)量可滿足板式換熱器生產(chǎn)改變工藝條件的要求。板式換熱器設(shè)計(jì)使用中經(jīng)常發(fā)生泄漏等失效事故，分析板式換熱器損壞原因研究維修技術(shù)具有現(xiàn)實(shí)意義。

1 供暖系統(tǒng)板式換熱器研究

1.1 板式換熱器類型與結(jié)構(gòu)形式

換熱器根據(jù)冷熱流體熱量交換方式分為間壁式與蓄熱式，板式換熱器近幾年得到了迅速發(fā)展，在各領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。板式換熱器是由多個(gè)具有波紋形狀的金屬薄板相互平行方式堆疊組裝，板式換熱器應(yīng)用廣泛種類眾多，根據(jù)外形包括板卷式與可拆卸板式換熱器等。近些年焊接板式換熱器在國內(nèi)外得到開發(fā)應(yīng)用，全焊接板式換熱器組成部分包括換熱板片、副流體側(cè)嘴等部分，板束側(cè)面裝配四塊面板，折流板安裝在板束上使流體改變流動(dòng)方向。板片換熱元件結(jié)構(gòu)決定其傳熱性能，人們研發(fā)出多種波紋形狀板片，需要研究優(yōu)化換熱器板片設(shè)計(jì)減少故障損壞。

1.2 板式換熱器特點(diǎn)

換熱器熱傳遞工藝裝置種類繁多，根據(jù)冷熱流體熱量傳遞原理分為蓄熱式與間壁式，間壁式換熱器應(yīng)用最廣泛，主要特點(diǎn)是冷熱流體被金屬管板作為固體壁面隔開，熱量通過金屬筆傳遞。間壁式換熱器可在高溫高壓下使用在石化工業(yè)中應(yīng)用廣泛。板式換熱器是由系列波紋形狀金屬片疊裝壓緊成的新型高效間壁式換熱器，板式換熱器是薄金屬板相疊形成，釬焊時(shí)換熱器傳熱系數(shù)較高，銅釬焊板式換熱器是銅箔材料在真空釬焊爐形成板式換熱器。全焊接板式換熱器具有板式換熱器傳熱性能，拓寬板式換熱器的應(yīng)用領(lǐng)域，其耐高溫高壓特點(diǎn)確保取代大部分傳統(tǒng)管殼式換熱器工況。金屬波紋板片是板式換熱器主要換熱元件，人字形與水平平直波紋板片在工業(yè)中廣泛應(yīng)用。人字形波紋板片傳熱效率高流動(dòng)阻力大，隨著流速提高，流體在流道內(nèi)阻力增長快。板式換熱器為熱分系數(shù)a 的提高依賴流體條件的改變，組成的流道方向不斷改變，低流速時(shí)激起強(qiáng)烈湍動(dòng)，使流體在換熱器內(nèi)均勻分布。

1.3 板式換熱器的應(yīng)用

板式換熱器是工業(yè)供暖系統(tǒng)傳熱中的重要設(shè)備，具有冷熱流進(jìn)出口溫差大、熱負(fù)荷高等特點(diǎn)。傳統(tǒng)管殼式換熱器傳熱效率較低，單元裝置規(guī)模較大需采用多臺(tái)并聯(lián)方式，系統(tǒng)總壓降較小，在多臺(tái)設(shè)備并聯(lián)運(yùn)行時(shí)難以實(shí)現(xiàn)熱負(fù)荷均勻分配，立置管殼式混合進(jìn)料換熱器不能滿足裝置擴(kuò)能改造的要求，板式換熱器自制冷裝置應(yīng)用后日益得到人們的重視，現(xiàn)有板式換熱器板片波紋以人字形最多，板式換熱器阻力較大成為限制其應(yīng)用的主要因素，許多學(xué)者研究分析板式換熱器波紋傾角對(duì)傳熱性能的定量影響。近年來，開發(fā)系列新型板式換熱器促進(jìn)生產(chǎn)量的提高，焊接型板式換熱器質(zhì)量輕、運(yùn)行成本低等優(yōu)勢(shì)受到人們的關(guān)注，當(dāng)前板式換熱器存在工作溫度壓力低等缺點(diǎn)，我國板式換熱器制造應(yīng)用相比國外存在較大差距，合理選擇版型是板式換熱器優(yōu)化合計(jì)的重要課題。

2 供暖系統(tǒng)板式換熱器故障失效原因分析

現(xiàn)有能源主要是煤炭油氣等資源，合理利用現(xiàn)有能源成為世界性的研究課題。換熱器是衡量利用能源的關(guān)鍵設(shè)備，換熱器合理設(shè)計(jì)對(duì)能量有效利用開發(fā)具有重要意義。板式換熱器是用薄金屬換熱板片疊裝成的換熱設(shè)備，因其高效緊湊近年來得到迅速發(fā)展。目前，國內(nèi)開發(fā)板片規(guī)格形式少，需要加強(qiáng)研究分析板片適用范圍。板式換熱器由于多種原因?qū)е率?，需要系統(tǒng)總結(jié)故障失效原因采取有效的維修措施。

2.1 板式換熱器失效形式

近年來，板式換熱器快速發(fā)展在醫(yī)藥、暖通等工業(yè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。板式換熱器種類日益增多，根據(jù)連接方式分為焊接式與可拆式換熱器，板式換熱器使用中由于操作不當(dāng)?shù)仍驅(qū)е鲁霈F(xiàn)故障失效影響供暖系統(tǒng)的正常運(yùn)行。機(jī)械產(chǎn)品零部件失效形式有多種，板式換熱器主要出現(xiàn)變形與腐蝕失效。板式換熱器由于密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理等原因發(fā)生泄漏等失效事故，板式換熱器流通截面積小易產(chǎn)生堵塞。結(jié)構(gòu)堵塞導(dǎo)致?lián)Q熱面被污染導(dǎo)致阻力增大壓降過大，金屬材料經(jīng)常在物理機(jī)械因素作用下產(chǎn)生破壞。

目前，板式換熱器應(yīng)用研究存在承壓承溫能力限制其應(yīng)用范圍擴(kuò)大，增大換熱系數(shù)提升換熱效果，不能準(zhǔn)確計(jì)算滿足強(qiáng)度要求的板材強(qiáng)度等方面問題。板式換熱器板片是由不銹鋼等材料薄板壓制，板片組裝壓緊力過大橫向剛度不能抵抗塑性變形導(dǎo)致發(fā)生泄漏事故。板片兩側(cè)流體壓力差較大，影響傳熱效果造成泄漏事故。密封墊片變形失效是發(fā)生永久壓縮變形，腐蝕是材料表面受周圍環(huán)境介質(zhì)化學(xué)作用導(dǎo)致破壞現(xiàn)象，板式換熱器板片腐蝕以局部點(diǎn)縫隙與應(yīng)力腐蝕為主，換熱板片不銹鋼薄板鈍化膜破壞后發(fā)生腐蝕，板式換熱器出現(xiàn)腐蝕主要是應(yīng)力腐蝕破裂。板式換熱器縫隙腐蝕主要是發(fā)生在垢層底部，腐蝕擴(kuò)展由于閉塞電池作用快速發(fā)展催化。應(yīng)力腐蝕是腐蝕與拉應(yīng)力作用造成材料破壞，加工制造產(chǎn)生殘余應(yīng)力等應(yīng)力腐蝕是板式換熱器主要腐蝕破壞形態(tài)。

2.2 板式換熱器失效故障原因

失效是材料的累積損傷過程，失效分析是研究機(jī)械產(chǎn)品零部件使用中發(fā)生失效現(xiàn)象特征規(guī)律查找原因提出預(yù)防措施的技術(shù)管理活動(dòng)。換熱器化工設(shè)備安全運(yùn)行影響裝置的生產(chǎn)安全，換熱器在石化設(shè)備損壞中占比最高，板式換熱器失效分析期限短，工作效率要求高，需要有正確的分析思路得到正確結(jié)論。板式換熱器失效客觀規(guī)律是失效分析的理論基礎(chǔ)，失效分析思路是以通過觀察檢查獲得失效信息綜合分析判斷失效事件類型原因。失效分析程序主要包括明確目標(biāo)要求、失效件觀察檢測(cè)等。目前失效分析技術(shù)包括痕跡與斷口分析技術(shù)。

板式換熱器設(shè)計(jì)制造中由于保養(yǎng)不及時(shí)等原因發(fā)生泄漏，內(nèi)漏是壓力較高側(cè)介質(zhì)串如低壓側(cè)介質(zhì)中，泄漏事故主要由于密封失效引起。目前板式換熱器密封墊片材料有壓縮石棉纖維等。板片安裝時(shí)密封墊片用膠水粘在板片密封槽內(nèi)，生產(chǎn)運(yùn)行中因操作不當(dāng)?shù)纫鸸ぷ鲏毫Σ▌?dòng)，使密封墊片位移導(dǎo)致密封失效泄漏。板式換熱器流通截面積小結(jié)垢易產(chǎn)生堵塞，板片腐蝕產(chǎn)生堆積造成失效，結(jié)構(gòu)堵塞導(dǎo)致?lián)Q熱面被污染傳熱效果差，結(jié)垢形式包括析晶顆粒與化學(xué)反應(yīng)腐蝕結(jié)構(gòu)等。板式換熱器通道間隙較小，大直徑顆粒雜物堵塞板片通道導(dǎo)致設(shè)備失效。板片腐蝕產(chǎn)物堆積堵塞通道，換熱器相鄰板片波紋頂端相互交叉形成大量觸點(diǎn)形成湍流作用，介質(zhì)中固體雜物集聚產(chǎn)生污垢積瘤。板片密封槽處常發(fā)生縫隙腐蝕造成介質(zhì)外漏。金屬材料受周圍介質(zhì)作用在物理機(jī)械作用下產(chǎn)生破壞，電化學(xué)腐蝕是金屬材料與電解質(zhì)溶解接觸發(fā)生破壞。板式換熱器板片應(yīng)力腐蝕破裂常發(fā)生在密封槽底部，發(fā)生應(yīng)力腐破裂原因包括板片間支承點(diǎn)處易結(jié)垢等。

3 供暖系統(tǒng)板式換熱器失效維修技術(shù)

供暖系統(tǒng)中換熱器是能量轉(zhuǎn)換單元，兩側(cè)流體隨外界環(huán)境擾動(dòng)變化，為控制換熱器出口溫度處于需求范圍必須合理設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)，板式換熱器在外界擾動(dòng)等因素下運(yùn)行，換熱器運(yùn)行動(dòng)態(tài)特性是設(shè)計(jì)分析控制系統(tǒng)的重要依據(jù)。實(shí)踐中換熱設(shè)備控制系統(tǒng)失效主要由于錯(cuò)誤估計(jì)動(dòng)態(tài)特性，了解換熱器穩(wěn)態(tài)下熱力學(xué)特性是亟待研究的課題。換熱器性能受到波紋間距傾角與高度等因素的影響出現(xiàn)故障，需要研究處理板式換熱器失效故障，保證供暖系統(tǒng)換熱器設(shè)備正常運(yùn)行。

某公司在物業(yè)熱交換站安裝使用4 臺(tái)BR11 型板式換熱器，投用初期運(yùn)行狀況良好，后期換熱效果下降傳熱板片堵死無法進(jìn)行換熱影響供暖。傳熱板片是換熱器主要起換熱作用的組件，按照流體介質(zhì)材質(zhì)不同。板式換熱器密封墊片主要起密封作用，兩端壓板主要是夾緊壓住傳熱板片保證流體介質(zhì)不泄漏。夾緊螺栓主要起緊固封頭的作用，預(yù)緊螺栓時(shí)用力矩扳手使固定板片力矩均勻。通過運(yùn)行發(fā)現(xiàn)，板式換熱器存在循環(huán)水側(cè)異物較多，板片表面結(jié)垢嚴(yán)重，密封墊片局部老化，蒸汽側(cè)溫度高部分發(fā)生塑性形變。與板片結(jié)合牢固表層較厚波形槽填滿，循環(huán)水系統(tǒng)塑料填料片等聚集造成流體通道多處局部堵塞。針對(duì)換熱器失效現(xiàn)象分析原因，系統(tǒng)蒸汽溫度達(dá)200℃循環(huán)水與板片間摩擦力影響造成水垢形成，局部堵塞導(dǎo)致水循環(huán)阻力增大形成局部表面高溫，產(chǎn)生局部堵塞引起更多水垢，局部堵塞引起水垢發(fā)展。水處理中化學(xué)劑對(duì)定脯橡膠有腐蝕作用，部分密封墊片老化發(fā)生塑性變形失效。循環(huán)水硬度達(dá)500mg/L 水處理系統(tǒng)處理效果不好加劇污垢形成。

板式換熱器板片流體通道為人字形波紋溝槽，面向板片貼膠墊面人字形朝下A 板和B 板交替組裝，居民家用暖氣片大多為老式813 型鑄鐵暖氣片，暖氣改造施工工程質(zhì)量把關(guān)不嚴(yán)，灰塵鐵銹通過水循環(huán)進(jìn)入換熱器入口未設(shè)過濾器造成雜物聚集形成堵塞。針對(duì)換熱器失效問題采取加強(qiáng)工程質(zhì)量監(jiān)督管理，將換熱器與系統(tǒng)分開避免管網(wǎng)中雜質(zhì)進(jìn)入換熱器；運(yùn)行中對(duì)系統(tǒng)水與軟化水進(jìn)行嚴(yán)格水質(zhì)化驗(yàn)合格后注入供暖管。供暖系統(tǒng)循環(huán)水系統(tǒng)增設(shè)過濾器，考慮在熱交換器前增加過濾設(shè)備，全自動(dòng)過濾器是利用濾網(wǎng)攔截水中的雜質(zhì)去除顆粒物，減少系統(tǒng)污垢銹蝕等產(chǎn)生凈化水質(zhì)的精密設(shè)備。智能化設(shè)計(jì)系統(tǒng)可自動(dòng)識(shí)別雜質(zhì)沉積程度，全自動(dòng)過濾器克服傳統(tǒng)過濾產(chǎn)品納污量小過濾部分需拆卸清洗等缺點(diǎn)，具有自動(dòng)對(duì)過濾清洗排污功能，清洗時(shí)間短耗水量少，過濾器裝配智能控制系統(tǒng)與自動(dòng)清洗裝置。供暖系統(tǒng)中應(yīng)保持管網(wǎng)中的清潔避免換熱器堵塞，板式換熱器使用中水處理設(shè)備運(yùn)行不當(dāng)，將不合格軟化水注入系統(tǒng)中，使碳酸鹽遇熱分解為碳酸鈣粘結(jié)在換熱器受熱面形成水垢，造成換熱器換熱效率降低及熱能浪費(fèi)。目前，清洗劑采用酸洗包括有機(jī)酸與無機(jī)酸，甲酸清洗液中加入緩沖劑清洗效果好，甲酸可有效清除板片上的水垢，甲酸清洗水垢工藝為對(duì)換熱器進(jìn)行開式?jīng)_洗提高酸洗效果降低耗酸量；將柱滿酸溶液換熱器靜態(tài)浸泡2 小時(shí)，每隔0.5h 進(jìn)行正反交替清洗，酸液pH 值大于2 可重復(fù)使用。酸洗后用NaOH 軟化水按比例配置，對(duì)換熱器堿洗達(dá)到酸堿中和避免板片腐蝕。堿洗后用軟化水對(duì)換熱器沖洗0.5h，清洗中記錄各步驟時(shí)間檢查清洗效果，對(duì)換熱器打壓實(shí)驗(yàn)合格后使用。

4 結(jié)語

21 世紀(jì)全球經(jīng)濟(jì)呈現(xiàn)出高速發(fā)展態(tài)勢(shì)，隨著各經(jīng)濟(jì)體對(duì)能源需求的攀升，很多學(xué)者開始研究如何節(jié)能降耗合理利用能源實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。工業(yè)生產(chǎn)消耗大量能源大部分以熱能形式進(jìn)行利用轉(zhuǎn)換，換熱器是使處于不同溫度流體實(shí)現(xiàn)相互間熱量傳遞的節(jié)能設(shè)備，在空調(diào)制冷等行業(yè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。換熱器噸位約占工藝設(shè)備的20%，板式換熱器因其良好傳熱效果、造價(jià)低廉等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于余熱回收等領(lǐng)域，換熱器使用中受到多方面因素影響出現(xiàn)故障失效，需要全面分析換熱器失效原因，采取有效的維修處理技術(shù)。