1. 研究目的与意义（文献综述包含参考文献）

文 献 综 述

1．板式换热器失效原因及分析

换热器是一种在不同温度的两种或两种以上流体间实现物料之间热量传递的节能设备，是使热量由较高的流体传递给温度较低的流体，同时提高能源利用率的设备。换热器是化工、石油、制药、能源等行业中应用相当广泛的单元设备之一。

失效的主要原因：

1、设备堵塞与结垢导致失效，板式换热器的通道间隙较小，颗粒杂物容易阻塞板片通道，这是经常遇到的情况。这时压降会提高，使设备压力降急剧恶化导致无法正常换热^[1]。贾辉在板式换热器失效的主要原因及对策中也得出在雷诺数很低的流动状态下(Relt;100)可以湍流，减少结垢^[2]

2、密封失效：又分为三类，第一是压力因素。板式换热器在额定工作压力之内使用时出现泄漏，除设备在制造方面的因素之外，主要与系统中出现的非正常的冲击载荷有关，使得密封垫移位导致失效。第二是温度因素，温度的急剧变化使得密封垫的线胀系数与弹性变形量和密封预紧力不相匹配，使得承载能力下降。第三是时间因素，主要是指密封垫的自身老化。^[2,3]

3、腐蚀失效是复杂情况，板式换热器中大多是氯离子引起应力腐蚀，常发生在板片密封槽底部，主要成因也有很多。比如板片残存的参与应力、缝隙造成氯离子富集、积垢情况下氯离子的富集等等

总得来说换热器的失效堵塞与积垢以及密封垫的压力与温度失效都是比较容易预见及维修的。换热器的失效主要集中在了腐蚀失效当中，国内外的众多研究人员也做了许多的实验，得出换热器这方面的腐蚀问题，主要以应力腐蚀与间隙腐蚀为主。这是板式换热器失效分析的关键之处。

2．板式换热器管板连接工艺及发展

在整个换热器制造过程中，管子管板接头的连接是非常关键的工序，管口接头长期承受压差对管子产生轴向载荷、多次反复加热、冷却、高压和介质腐蚀疲劳强度破坏的作用，对焊缝的致密性及力学性能要求非常严格。

随着世界各国的连接工艺不断进步，管子管板的连接工艺主要有胀接、焊接、胀焊并用三种。胀接的主要缺点是，高温下蠕变使胀接的残余应力释放造成泄露，并且高温导致管子与管板刚性下降，热膨胀应力增大，有可能引起应力松弛。因此胀接受到温度限制比较严重。^[4]焊接能保证连接处一定的密封性和接头强度，但由于连接处带有缝隙，在缝隙处容易积垢，产生间隙腐蚀，发生应力腐蚀开裂。^[4]胀焊并用的工艺比较复杂但结合了两者的优点比较适合使用。

而各国换热器生产中采用的管子管板接头型式主要有：端面接头焊接式、内角接头式、对接内孔接头式和伸出角接头式。管板有开坡口、不开坡口和开环形槽。目前实际生产中采用最多的是伸出角接头式。形式如图1

图1.伸出角接头形式图

目前对于先胀后焊还是先焊后胀的工艺次序讨论是连接工艺中讨论最多的。

先胀后焊的工艺方式，在实际生产中问题还是比较严重的。在胀接时需要润滑油，焊接前也需要清理干净，对于直径较大的管板太过麻烦。装配时也不能使油污进入。而且胀接后间隙中的水分及空气还对之后的焊接产生影响。而现在液压胀代替机械胀之后，省去了润滑油等步骤。一定程度上减少了不胀区对接头的影响。王海峰等在先胀后焊连接中焊接对胀接连接强度的影响一文中已经完成了许多实验^[5]，结果如下表2

从结果可以看出，即使在排除一些胀接的弊端之后的先胀后焊中，焊接对胀接区的影响表现为胀接区接触范围及接触压力数值的减小。即焊接过后胀接接头的接触面积及接触压力均有不同程度减弱。

先焊后胀在经济性上是比较好的，但胀接也会对焊缝区产生影响。工程中为了减小胀接对焊缝区的破坏，一般离开焊缝区一定距离作为不胀区。王海峰等研究人员对于先焊后胀中胀接对焊接影响也进行了详尽的实验分析^[6]结果如下表3

表3 先焊后胀接头中不胀区推荐值L_xr

从王海峰等研究人员的结果报告中看出，先焊后胀的工艺是比较良好的。但对于胀接的不胀区的把握还是十分困难，无法简单去得出。这样的问题其他研究人员也在报告中针对某一种情况例如邱振生的镍基合金的平接头焊接工艺、张作鹏等在组装中提到的液压胀及焊接顺序的影响等等都做了很多分析。^[7-10]可以看到，不同材料不同焊接胀接方法都对最终的接头效果产生比较大的影响，具体的使用何种焊何种胀还应具体进行再做分析，因此平时生产操作中的工艺对接头的效果影响很大。

随着自动化技术的不断提高，换热器的制作工艺也逐渐向全自动化发展。陈永东在我国大型换热器技术进展中提到，大型板式换热器主要应用于核电工程，这些领域采用国产化板式换热器的数量有限。^[11]对于较为先进的板式换热器我国还主要依赖进口。新型的全焊接式板式换热器恰好能够满足新的板式换热器需求。焊接密封板式换热器整个板片周围采用焊接方式来形成密封, 可用于与板材兼容的腐蚀性流体,工作压力范围真空至 20 MPa, 温度范围200#176;C~900#176;C.例如栾辉宝在全焊接板式换热器发展及展望中提到的方形板片板壳式换热器^[12]，真正解决了大型板式换热器的问题，也提升了整体的耐用性。

3．管与管板接头处的失效情况

板式换热器主要由前管箱、壳体（包括管束）、后管箱组成。其中的管与管板的组装是最重要的部分。而上文中提到的腐蚀失效也大多出现在管束与管板处。管束腐蚀和磨蚀失效的主要原因有:①污垢腐蚀 ;②流体为腐蚀性介质 ;③管内壁有异物积累而发生局部腐蚀;④管内流速过大而发生磨蚀, 流速过小则异物易附着管壁, 造成电位差而导致腐蚀 ;⑤管端发生缝隙腐蚀等。^[13]

对于上文中提到的管板接头工艺中比较重要的胀接与焊接产生的问题，各类研究都作了不同程度的分析。在此对焊接胀接工艺分别产生的问题及预防措施进行总结。

焊接时存在的主要问题有 :①产生焊接缺陷如烧穿或未焊透 ;②焊接接头处产生热应力为应力腐蚀提供了条件;③管子与管板孔之间存在间隙 , 壳程介质进入到间隙死角之中, 就会引起缝隙腐蚀;④焊接不锈钢材料时 , 容易在热影响区造成金相组织的改变, 使耐蚀性骤降。预防措施有 :① 打磨管端防止结点污染 , 控制焊接过程使不发生烧穿或未焊透等缺陷 ;②采取焊前预胀以减小管子与管板孔之间的间隙 ;③根据直径大小分成若干区,焊接时由中央开始放射形在对角区域内顺序焊接,以防止焊接变形和减小残余应力。

胀接的工艺也存在一定问题 :①在胀接过程中存在残余应力, 在已胀和未胀管段间的过渡区上 , 管子内、外壁都存在拉应力 , 一旦具备发生应力腐蚀的温度和介质条件 , 接头处很快就因应力腐蚀而失效 ;② 胀接连接的抗拉脱力偏低, 特别是当使用温度高于 300 ℃时 , 材料的蠕变会使挤压残余应力逐渐消失,连接可靠性难以保证。预防措施包括 :①根据介质特性选择合适的材料及采用强度焊;②控制使用温度与胀接时环境温度等

可以看到不管是焊接还是胀接都存在不同程度的应力腐蚀，且由于接头处存在间隙，也容易产生间隙腐蚀。在两者的叠加情况下，接头处将很快因腐蚀而失效。

4失效部分的分析手段

曹君臣、陶然、文博等都在与板式换热器失效分析相关的文献中提出了这一失效的分析方法，是通过宏观形貌、金相检验、化学成分检验等理化试验得到。^[14-16]

所以对失效部分大致会进行以下几种分析。1、通过宏观形貌观察分析，大致观察失效处的腐蚀情况、焊接情况、胀接情况。2、通过化学成分分析，确定失效部分的材料是否符合制造标准。3、通过金相检验确定失效部分的内部金相情况，根据不同的金相情况，分析焊接时的问题，并整体分析失效部分的金属性能。4、通过裂纹微观形貌特征分析，观察失效处的微观形貌，重点关注腐蚀产物的情况。5、通过硬度检测再次验证金属的整体性能，对内部组成进行分析。6、最后通过腐蚀产物分析，确定腐蚀产物中的元素组成及结构等。

获得了上述分析结构之后，进行整体综合分析，确定失效部分的具体失效情况及原因并提出改进方法。

参考文献

[1] 罗志平,吴春华,龚杰,郭定明．板式换热器失效原因分析及维修方法[J].华西冶金论坛第26届(厦门)会议#8212;#8212;全国能源与工业炉热工学术研讨会论文集,2011

[2] 贾辉,应涛. 板式换热器失效的主要原因及相关对策[J].中国石油和化工标准与质量2012 ,4(32):119

[3] 孔文彬.板式换热器失效分析研究[D].华南理工大学 2011

[4] 汪东明,高增福,谭笠，唐峰．国内外换热器管子管板焊接技术综述[J]．压力容器，1995，2(12):48

[5] 王海峰,桑芝富,马凤丽,先胀后焊连接中焊接对胀接连接强度的影响[J].压力容器 , 2010,12(27):13-20

[6] 王海峰,桑芝富.先焊后胀连接中胀接对焊缝区应力的影响[J].石油机械,2009,4(37)

[7] 张作鹏,周玲．固定管板式换热器管束的组装[J]．第五届全国换热器学术会议 中国浙江绍兴,2015

[8] 邱振生.新型换热器管子管板焊接工艺的研究[J].压力容器,2003,9(20):9-13

[9] 史建涛.换热器管子和管板焊接接头浅见[J],广州化工 ,2009,6(37):168-170

[10] 倪丞舜.换热管与管板焊接结构的比较和选择[J].化工装备技术 ,2007,1(28):42-46

[11] 陈永东,陈学东,我国大型换热器的技术进展[J].机械工程学报,2013,10(49)

[12] 栾辉宝,江永军,陶文鉒,全焊接板式换热器发展现状及展望[J].中国浙江绍兴第五届全国换热器学术会议,2015

[13] 吴金星,王志文．管壳式换热器失效分析预防及在线检测[J].压力容器 ,2001,6(18):57-61

[14] 曹君臣,王铁,赵祥龙.固定管板式换热器腐蚀失效分析[J].今日科苑,2012,16:112-114文博.换热器管子与管板焊缝的缝隙腐蚀的研究[D].西安石油大学,2016

[15] 陶然.固定式管板换热器换热管与管板接头泄露缺陷分析及对策[D]

[16] 文博.换热器管子与管板焊缝的缝隙腐蚀的研究[D].西安石油大学,2016

2. 研究的基本内容、问题解决措施及方案

一、课题背景

南京扬子伊士曼有限公司换热管管板发生泄漏导致停工。该换热器设备使用温度为230℃，管程介质为树脂，介质压力为2.2mpa；壳程介质为水蒸汽，介质压力为1.3mpa。换热管规格为φ19#215;2mm，材质为20#钢，管板材质为16mnⅡ锻件，管板与换热管的连接方式采用胀接 强度焊。该换热器于2015年1月投入使用，中间未发生过泄漏，于2016年3月14日进行水压试验时，发现管板局部泄漏，泄漏区域如图1-1所示。