11熱交換器的定期檢驗

1、內(nèi)容提要1.熱交換器概述2.熱交換器的特點3.管殼式熱交換器的失效模式4.管殼式熱交換器檢驗研究5.熱交換器檢驗展望1.熱交換器概述1.1 什么是熱交換器1.2 熱交換器中的壓力容器1.3 熱交換器定期檢驗存在的問題1.1 什么是熱交換器熱交換器（heat exchanger）是一種在不同溫度的介質(zhì)之間實現(xiàn)熱量傳遞的設(shè)備。我們這里所說的熱交換器原來使用換熱器這一名稱，GB/T151在2014版中將名稱由管殼式換熱器改為熱交換器。熱交換器的范圍比換熱器更加廣泛。熱交換器這一行業(yè)還在飛速發(fā)展，在這一領(lǐng)域中，總是會有新的概念產(chǎn)生。GB/T 7635.1-2002全國主要產(chǎn)品分類與代碼 第一部分：可運

2、輸產(chǎn)品中代碼為43911.1511.間壁式換熱器共有6類22種（43911.151）1）管殼式換熱器：固定管板式、浮頭式、U型管式、填料函式、外導(dǎo)流筒式、折流桿式、螺紋管式、板桿式、雙殼程式、釜式；2）套管（雙套管）換熱器；3）蛇管式換熱器：沉浸式、噴淋式；4）緊湊式換熱器：墊片式、半焊式、板式全焊式、螺旋板式、板翅式、傘板式、板殼式；5）特殊式熱交換器：雙套管式；6）空氣預(yù)熱器。1.2 熱交換器中的壓力容器（1）工作壓力大于或者等于0.1MPa；（2）容積大于等于0.03 m3且內(nèi)直徑（非圓形截面指截面內(nèi)邊界最大幾何尺寸）大于等于150mm；（3）盛裝介質(zhì)為氣體、液化氣體以及介質(zhì)最高工作溫度

3、高于或者等于其標(biāo)準沸點的液體。不在容規(guī)監(jiān)管范圍的熱交換器鋁制板翅式熱交換器第二組介質(zhì)的無殼體的套管熱交換器、螺旋板熱交換器超高壓管式反應(yīng)器*可拆卸墊片式板式熱交換器（包括半焊式板式熱交換器）、空冷式熱交換器、冷卻排管、釬焊板式熱交換器*常壓容器的蒸汽加熱盤管熱交換器產(chǎn)品產(chǎn)值結(jié)構(gòu)產(chǎn)品分類比例具體類型細分比例行業(yè)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)換熱壓力容器60%管殼式熱交換器螺旋板式、板殼式及其它熱壓力容器90%10%54%6%非壓力容器熱交換器40%板式熱交換器空冷式熱交換器板翅式熱交換器70%15%15%28%6%6%1.3 熱交換器定期檢驗存在的問題管殼式熱交換器在壓力容器熱交換器中占絕大多數(shù)，這里我們將對管殼式熱

4、交換器的檢驗進行討論。對于特種設(shè)備檢驗員來說，熱交換器的檢驗?zāi)康木褪菫榱藵M足固容規(guī)的管理要求。下面我們羅列了管殼式熱交換器檢驗中存在的幾個問題。后面我們將圍繞這幾個問題展開討論。壓力容器本體中的主要受壓元件，包括筒節(jié)（含變徑段）、球殼板、非圓形容器的殼板、封頭、平蓋、膨脹節(jié)、設(shè)備法蘭，換熱器的管板和換熱管，M36以上（含M36）螺柱以及公稱直徑大于或者等于250mm的接管和管法蘭。熱交換器的管板和換熱管很難通過檢驗給出安全狀況等級。熱交換器定期檢驗存在的問題一、熱交換器的管板和換熱管很難通過檢驗給出安全狀況等級。二、熱交換器管束的新檢測技術(shù)沒能很好的在定期檢驗中應(yīng)用。三、熱交換器的泄漏檢測往往

5、被檢驗員所忽視。關(guān)于熱交換器管束的定期檢驗?zāi)壳斑€沒有全面的描述文章。或者說是沒有能夠說清楚的文章。只有API RP 572壓力容器檢驗中有所描述。我國油標(biāo)委將其翻譯成為SY/T6552-2003石油工業(yè)在用壓力容器檢驗的推薦做法。其中在資料性附錄C中提到了幾種熱交換器的檢驗。管束檢驗的第一步是通過外觀檢驗建立腐蝕模型。其中敘述了外觀檢驗中應(yīng)注意的問題，并提到抽出管子確定其壽命。介紹了管殼式熱交換器的易腐蝕部位。但是如何確定管束及管板的安全狀況等級的問題還是沒有任何程度的解決，同時對于如何建立腐蝕模型，如何確定管子壽命也沒有進一步的說明。2.熱交換器的特點一、所有熱交換器都至少有兩程也就是說至少

6、有兩種以上的介質(zhì)在各自的封閉空間內(nèi)流動。二、管束比殼體更脆弱管束比殼體失效的概率更大。由于管束大多都在殼體的包封內(nèi)，所以管束的失效所帶來的火災(zāi)及爆炸等風(fēng)險不如殼體明顯。三、在工藝裝置中，如果不考慮定期檢驗的需要，熱交換器是停工檢修中打開幾率最高的工藝設(shè)備。同時也是對工藝裝置運行狀態(tài)反映信息最多的設(shè)備。四、熱交換器在靜設(shè)備中是造成非計劃停工最多的工藝設(shè)備。五、熱交換器還是目前特種設(shè)備中社會服務(wù)程度比較低的，同時也是用戶服務(wù)需求比較高的工藝設(shè)備。3.管殼式熱交換器的失效模式3.1 熱交換器殼體的失效模式熱交換器殼程的失效模式及特點與壓力容器無根本區(qū)別，在其它課程中也有所描述，這里不再贅述。這里我們

7、要強調(diào)的是密封面泄漏的問題。最近出過的幾起重大熱交換器事故都是由熱交換器密封面失效造成的。我參與處理的事故就有四起。熱交換器泄漏檢測由誰來負責(zé)？3.2 管殼式熱交換器管束的失效模式我們在這里主要討論一下管束的失效模式。關(guān)于熱交換器管束失效分析類的文章很多，但是目前沒有將哪一篇文章將熱交換器管束的失效模式系統(tǒng)地歸納起來。許多篇文章中試圖將這一問題描述清楚，但是都沒有達到理想的效果。在這里我只能就我所認識的管束失效模式進行討論。一、溫差應(yīng)力由于熱交換器的工藝特性是兩種以上的介質(zhì)進行熱量交換，因此在熱交換器中溫度差是不可避免的。在設(shè)計時必須對此充分考慮，不能因溫差應(yīng)力造成熱交換器的損壞。但是因溫差造

8、成熱交換器損壞的案例時有發(fā)生，主要體現(xiàn)在管板開裂、管頭開裂和密封面泄漏等三個方面。在熱交換器檢驗中如果發(fā)現(xiàn)這三個現(xiàn)象，則應(yīng)考慮溫差應(yīng)力的問題。二、腐蝕與應(yīng)力腐蝕腐蝕與應(yīng)力腐蝕是熱交換器管束失效的常見問題，在這一方面的研究文章很多，但是沒有哪個專家能夠?qū)⑦@一問題全面的闡述清楚。這也就是API572要求通過外觀檢驗建立腐蝕模型的原因之一。我們知道影響腐蝕的因素有材料、溫度、壓力、介質(zhì)中的有害元素含量、介質(zhì)的pH值及介質(zhì)的流速等六個基本要素。首先這六個維度的組合就非常復(fù)雜。我認為對于管殼式熱交換器管束的失效研究首先要對熱交換器的失效類型及失效風(fēng)險分類，根據(jù)分類建立各個類型的失效模型，根據(jù)模型決定檢驗

9、方法。這樣就能解決管殼式熱交換器管束安全性能等級的問題。4.管殼式熱交換器檢驗研究所有管殼式的熱交換器都是由筒體（外殼），管箱（封頭）、管板和管束組成的。目前絕大多數(shù)檢驗機構(gòu)在實施熱交換器檢驗時都僅對筒體和封頭進行檢驗，這一部分的檢驗技術(shù)與普通壓力容器的檢驗沒有區(qū)別，具體方法可參考換熱器一書。在檢驗中要特別注意密封面的檢驗，泄漏試驗要采取可靠的試驗方法。比如熱態(tài)泄漏試驗等。管殼式熱交換器的管板和管束的檢驗，是目前正在研究的問題。相對于現(xiàn)有的認識來說，確定其安全狀況等級要面對許多不確定因素。4.1 管束的檢驗過程及存在的問題一、資料審查兩種物流的進出口溫度差決定了熱交換器的溫差程度。什么樣的溫度

10、變化能夠影響管束的完整性呢？到影響腐蝕的因素大致有材料、溫度、壓力、介質(zhì)中的有害元素含量、介質(zhì)的pH值及介質(zhì)的流速等六個基本要素。變化到什么程度才能對管束的腐蝕造成顯著地影響呢？二、檢驗前的準備實施檢驗前熱交換器是否要打開？保溫是否要拆除？如果我們無法對管束的安全狀況等級下任何結(jié)論，那么打開熱交換器還有什么意義呢？打開后還會增加泄漏風(fēng)險，大多熱交換器泄漏事故都是檢修后開工時因密封面的泄漏引起的。三、宏觀檢驗在API RP 572中提出通過對管束的外觀檢驗建立腐蝕模型，前面也反復(fù)提到建立腐蝕模型的問題。腐蝕模型確定外觀檢驗。腐蝕調(diào)查就是在裝置檢修時對打開的部位進行一次全面的目視檢測，包括部分熱交

11、換器。但是這一檢測方法經(jīng)過進一步的深入研究，一定會成為承壓類特種設(shè)備檢驗的發(fā)展方向之一。四、無損檢測目前可應(yīng)用于熱交換器管束檢驗的無損檢測方法有很多，比如渦流檢測，旋轉(zhuǎn)超聲檢測、漏磁檢測及管頭的射線檢測等等，隨著時間的推移還會有更多的無損檢測方法發(fā)明出來。可是這些方法用于管束檢測后能否得到有效的安全狀況等級就沒有定論了。五、泄漏檢測前面講過，熱交換器的泄漏檢測是一個在檢驗過程中容易忽略的問題，但又是引起熱交換器事故最多的問題。熱交換器的泄漏試驗由誰來做？如何做？就是一個不得不認真研究的問題了。4.2 管束檢驗問題的解決方案徹底解決熱交換器管束的檢驗問題并不是不可能，目前我們檢驗工作者對熱交換器

12、檢驗的研究已經(jīng)相當(dāng)多。下面我們系統(tǒng)地梳理一下需要解決的主要問題：1）管殼式熱交換器風(fēng)險分類2）分類建立管殼式熱交換器失效模型3）熱交換器運行條件與失效的關(guān)系研究4）檢驗方法針對失效的有效性研究5）熱交換器的泄漏檢測研究1）管殼式熱交換器基于風(fēng)險的分類可結(jié)合大數(shù)據(jù)的概念來完成，在這里要充分考慮熱交換器的停工風(fēng)險。現(xiàn)有的熱交換器失效分析的文章很多，失效的案例也很多，但是缺乏系統(tǒng)的整理。如果能夠?qū)ο喈?dāng)數(shù)量的樣本進行統(tǒng)計和歸納，完全能夠完成管殼式熱交換器的風(fēng)險分類。解決了分類的問題，后面的四個問題就都容易解決了。2）建立腐蝕模型應(yīng)該在風(fēng)險分類的基礎(chǔ)上進行。腐蝕模型應(yīng)考慮停用、開工、運行、停工、檢修、修

13、理等各個工況。腐蝕模型要充分體現(xiàn)材料、溫度、壓力、介質(zhì)中的有害元素含量、介質(zhì)的pH值及介質(zhì)的流速等六個基本要素對腐蝕和應(yīng)力腐蝕的作用及其基本影響。3）熱交換器運行條件與失效的關(guān)系研究案例熱交換器的運行條件與失效的關(guān)聯(lián)關(guān)系對決定熱交換器的安全狀況等級有著直接的關(guān)系，國外這方面的研究主要體現(xiàn)于確定操作窗口。但是由于缺乏熱交換器的風(fēng)險分類和失效模型（腐蝕模型），這一技術(shù)的應(yīng)用效果并不理想。在這里我介紹一下我近年來對這一相關(guān)技術(shù)研究的一點兒成果。游離水分析與管束腐蝕模型ASTM腐蝕分為五大類：均勻腐蝕；局部腐蝕；冶金質(zhì)量引起的腐蝕；環(huán)境引起的開裂；微生物引起的腐蝕。熱交換器介質(zhì)中的水有多種形式（相態(tài)）

14、存在，其中對設(shè)備能夠造成腐蝕的只有一種，液態(tài)水。對熱交換器中的各個部位進行液態(tài)水分析，掌握液態(tài)水的分布，也就掌握了熱交換器腐蝕的關(guān)鍵。工藝介質(zhì)的兩個最基本的操作參數(shù)是溫度和壓力，而決定水的相態(tài)的參數(shù)也正是這兩個參數(shù)多相混合物分離在某一壓力下，對于混合物中某一組分來說，假設(shè)冷卻前處于氣相點1，在達到上分離線之前隨冷卻過程的進行，混合物濃度不變，但溫度不斷下降，達到2g點溫度時，該狀態(tài)下混合物中某一相首先開始凝結(jié)，液相濃度達到2f點。工藝介質(zhì)的兩個最基本的操作參數(shù)是溫度和壓力，而決定水的相態(tài)的參數(shù)也正是這兩個參數(shù)操作壓力p操作溫度T水分析中采用操作溫度水分析中的水分壓P=（p+1atm）V水/V游離水分析流程框圖4）檢驗方法針對失效的有效性研究這一課題對于我們檢驗員同仁來說并不陌生，一種檢測方法針對什么樣的缺陷有效，這是我們檢驗員完全能夠回答的問題。但是在之前對于什么樣的熱交換器使用什么樣的檢測方法檢驗卻是一個難以回答的問題。這是因為缺乏對熱交換器使用風(fēng)險科學(xué)地分類。在科學(xué)分類和失效模型的基礎(chǔ)上，這一方面的研究將突飛猛進。5）熱交換器的泄漏檢測研究這一問題在技術(shù)上比較簡單，但是卻是困擾熱交換器相關(guān)方的一個不小的問題。主要原因是因為責(zé)任界定不清，熱交換器最后的安裝是由維修機構(gòu)來完成的，檢驗機構(gòu)認為用戶承擔(dān)了熱交換器安全的主體責(zé)任，因此忽視了對這一問