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摘 要

换热器在石油，化工、冶金等行业中的应用十分广泛，是不可缺少的工艺设备。在工业生产中，由于用途、工作条件和物料特性不同，出现了各种不同形式和结构的换热设备，而管壳式换热器具有制造容易、成本低、选材范围广、清洗方便、适应性强、处理量大、易于维护等特点，所以管壳式这一传统的换热设备在化工生产中仍占据着主要地位。但是由于其结构的复杂和使用工况的多样性，常引发不同形式的失效。本文归纳和总结管壳式换热器常见的腐蚀和开裂及其失效部位；通过宏观观察、材料显微组织的光学显微镜和断口面的扫描电镜观察和分析以及能谱分析等方法，对316L奥氏体不锈钢的换热管发生腐蚀和断裂的原因进行了探究。

关键词：管壳式换热器；换热管；腐蚀；开裂；失效

The corrosion and cracking analysis of shell-and-tube exchangers

Abstract

Being the integrant process equipment, heat exchangers are widely applied in industry fields as petroleum, chemical and metallurgy, etc. Although there are various heat exchangers, the traditional heat exchangers of shell-and-tube exchangers still occupy a dominant position because of its easy to make, low in cost, wide material selection, convenient for washing, well-adapted, high yield and easy maintenance. However, this type of heat exchangers have complicated structure and usually work in diversity of operational conditions, leading to failure by various forms. This article summarizes the corrosion, cracking and location of failure about shell-and-tube exchangers. Through the macroscopic observation, optical microscope, scanning electron microscope and energy spectrum analysis to observe the microstructures of the tube materials and the fracture surface, exploring the reason for corrosion and cracking concerning 316L austenitic stainless steel tube.

Key Words:shell-and-tube exchangers;heat exchange pipe; corrosion; cracking

目录

摘要 I

ABSTRACT II

第一章 绪论 1

1.1前言 1

1.2换热设备的分类 1

1.2.1按作用原理和传热方式分类 1

1.2.2按间壁式换热器分类 3

1.3管壳式换热器及其结构特征 6

1.3.1基本类型 6

1.3.2结构特征 9

第二章 管壳式换热器的腐蚀分析 13

2.1前言 13

2.2换热器的腐蚀类型与机理 13

2.2.1耐腐蚀材料的选择 13

2.2.2腐蚀类型 13

2.3管壳式换热器的腐蚀部位 17

2.3.1换热管腐蚀 17

2.3.2管子与管板、折流板连接处的腐蚀 17

2.3.3壳体腐蚀 17

2.4管壳式换热器腐蚀的防护 18

2.4.1化学腐蚀的防护 18

2.4.2应力腐蚀防护 18

第三章 管壳式换热器的断裂失效 20

3.1前言 20

3.2振动破坏形式 20

3.2.1撞击破坏 20

3.2.2 挡板损伤和管子自锯 20

3.2.3应力疲劳失效 20

3.2.4接头泄漏 20

3.2.5冶金失效 21

3.3流体诱导振动 21

3.3.1横向流诱导振动的原因 21

3.3.2防振措施 22

第四章 换热管失效原因分析 24

4.1前言 24

4.2分析方法与手段 24

4.3试验结果讨论与分析 25

4.3.1宏观观察和分析的结果 25

4.3.2扫描电镜分析 26

4.3.3断口面的能谱分析 29

4.2.4换热管材料显微结构的观察和分析 31

4.5小结 35

第五章 结论与展望 36

5.1结论 36

5.2展望 36

参考文献 37

第一章 绪论

1.1前言

换热器是用于在两种或两种以上流体间、一种流体一种固体间、固体粒子间或者热接触且具有不同温度的同一种流体间的热量传递的装置。它是化工、炼油、食品、轻工、能源、制药、机械及其他许多工业部门广泛使用的一种通用设备。在化工厂中，换热设备的投资约占总投资的10%～20%；在炼油厂中，约占总投资的35%～40%。近20年来，换热设备在能量储存、转化、回收，以及新能源利用和污染治理中得到了广泛的应用。在工业生产中，换热设备的主要作用是使热量由温度较高的流体传递给温度较低的流体，使流体温度达到工艺过程规定的标准，以满足工艺过程的需要。此外，换热设备也是回收余热、废热特别是低品位热能的有效装置^[1]。

1.2换热设备的分类

在工业生产中，因为换热器的工作条件，流经介质不同，出现了不同结构形式的换热器。

1.2.1按作用原理和传热方式分类^[2]

1.直接接触式换热器

直接接触式换热器是直接混合冷、热流体进行换热的换热器。如冷却塔、冷却冷凝器等。这类换热器又称为混合式换热器，其结构示意图如图1-1所示，为增加两流体间的接触面积，以达到充分换热的目的，在换热设备中常放置填料和栅板。直接接触式换热器具有传热效率高、单位容积提供的传热面积大、设备结构简单、价格便宜等优点，但仅适用于工艺上允许两种流体混合的场合。

2.蓄热式换热器

蓄热式换热器是借助于由固体构成的蓄热体与冷、热流体间相互接触，把热量从热流体传递给冷流体的换热器。这类换热器又称为回热式换热器，其结构示意图如图1-2所示，热流体先通过换热器并把热量储存在蓄热体中，接着通过冷流体，使冷流体在蓄热体中获得热量。在冷、热流体相互流过换热器的过程中，会有部分液体混合，如果是两种不允许混合的流体，那么不可以采用蓄热式换热器。

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