管壳式换热器故障分析及工程设计改进

管壳式换热器故障分析及工程设计改进

换热器在化工、石油、动力、食品及其它许多工业生产中占 有重要地位，在化工生产过程中是主要的换热设备，可作为加热 器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器等，其中管売式换热器因其 具有结构紧湊、操作弹性大、材料范围广等优点被广泛使用。 本文对管壳式换热器在工程实际应用中出现的故障进行 分析，并对管壳式换热器的工程设计提出改进意见。 管売式换热器在工程实际应用中的故障主要表现在两个 方面: 一方面是换热器泄漏，主要由于制造缺陷、设计缺陷及操 作不当导致，本论文仅对设计缺陷进行讨论: 另一方面是换热 效率降低，主要是由总传热系数降低导致。 

1 管売式换热器在工程实际应用中的故障分析 

1． 1 设计缺陷导致换热器泄漏的原因分析 

1． 1． 1 管束振动 在工程实际应用中，管束振动将引起管板与换热管之间存 在的气孔和其他缺陷扩大，发展到一定程度时这些缺陷就会被 击穿或导致疲劳开裂。振动与换热管固有频率有关，而固有频 率与管束的结构、尺寸有关，因此换热器本身的设计缺陷是导 致管束振动的根本原因。 

1． 1． 2 温差应力 大多数换热器在运行过程中，管壳程流体之间都存在着一 定的温差，多管程的换热器各程换热管之间也存在着较大的温 差，温差导致管板两侧和换热管之间产生温差应力。当温差应 力达到一定数值时，金属便会产生塑性变形和蠕变，最终导致 换热器泄露。

 1． 2 换热效率低故障原因分析 

根据传热方程式 Q = K·A·△tm 可知，换热器的传热量 ( Q) ，与冷、热流体的温度差( △tm ) 、传热面积( A) 和总传热系 数( K) 有关。温度差与工艺条件相关，一般不会出现较大变动; 对于既定的换热器，换热面积为定值。因此，工业实际应用中， 换热效率降低都是因为总传热系数降低引起的。 从传热系数公式 1 /K = 1 /αi + 1 /α0 + b /λ + ∑Ｒ 中知道，影 响总传热系数的因素有管内、外对流传热系数( αi、α0 ) 、管壁热 阻( b /λ) 和污垢热阻( ∑Ｒ) ，管壁热阻取决于换热管材料，一般 不能随意更改; 污垢热阻取决于流体介质，且随时间发生变化; 对流传热系数与流体的物理性质和湍流程度等因素有关，管 内、外对流传热系数降低直接导致总传热系数降低，最终导致 换热效率降低。 

1． 2． 1 管内、外对流传热系数降低导致换热效率低 管内对流传热系数( αi ) 与布管数、管程数、管径、管内是否 有内插扰流物以及是否采用特型管等因素有关; 管外对流传热 系数( α0 ) 与売体型式、换热管类型及布局、折流板间距及折流 板切率等因素有关。上述因素直接影响管、内外流体的湍流程 度，湍流程度越小，对流传热系数越小，换热效率越低。

 1． 2． 2 结垢导致换热效率降低 在实际生产中污垢热阻( ∑Ｒ) 随着使用时间变化。管束上 的污垢会增加污垢热阻，降低换热器的换热效率。例如 1 mm 水垢层相当于 40 mm 钢板的热阻，1 mm 烟渣层相当于 400 mm 钢板的热阻，管壁上附有污垢层时，厚度虽不大但其导热系数 很小，会产生很大的热阻，对传热十分不利。 换热器管束上污垢的形成原因主要是换热介质中的悬浮 颗粒流经换热器表面时沉淀形成污垢，一般是由颗粒细小的泥 沙、尘土、不溶性盐类、胶状物、油污等组成。

 2 管売式换热器故障的工程设计改进

2． 1 减少泄漏的设计改进 

2． 1． 1 预防振动的措施

 ( 1) 减小跨距是减小振动最有效的措施; 

( 2) 采用大管径， 有效增加管子刚性; 

( 3) 增大管间距，减少管子碰撞可能性; 

( 4) 尽量减小进出口流速，并增加支撑; 

( 5) 选择管子的材料和厚 度，以使管子具有较好的刚性; ( 6) 适当增加折流板的厚度，减 小管孔与管壁的间隙，可以抑制振动。

 2． 1． 2 减缓温差应力的设计改进

 2． 1． 2． 1 提高管板的抗应力能力 在仅考虑压力载荷作用下的管板应力超限时，采用增加管 板厚度的方法提高管板的抗弯截面模量，降低管板应力。在需 同时考虑管束与壳体间的温差应力、管板本身轴向应力与径向 温差应力以及管板机械强度要求时，可采用弹性管板。其形状 呈圆弧形，不仅有利于承压而且可利用其弹性变形部分吸收热 膨胀差值。由于其厚度较同工作条件下的圆形管板小很多，有 利于减小管板中心和边缘间的径向温差应力。

 2． 1． 2． 2 降低壳体的轴向刚度 在管壳热膨胀差很大的情况下，产生的应力极高，可在壳 体上设置膨胀节，以满足较大的总变形协调量。膨胀节可大大降低管板周边的横剪力和弯矩，极大地减小管板应力，降低管 板与管子间的拉脱力。因此在管壳热膨胀差大的情况下，设置 膨胀节是十分必要和经济的。膨胀节的安装位置应靠近管板， 且应避开折流板以防壳程流体短路，其波形不宜超过 6 个。 

2． 2 提高换热效率的设计改进

2． 2． 1 增加流速，改变流体的流动状态 ( 1) 在进行工程设计时，增加管程、壳程分程数可加大流 速、增加流程长度和扰度。 ( 2) 选择管程数时，在保证允许压降及避免管材蚀的情况 下，增加流速。 ( 3) 壳程设置挡板可提高流速，使流体充分流经全部管面。 ( 4) 改变流体对管子的冲刷角度，以增强管外的对流传热 系数。在工程设计中还需注意，增大流速可改变流体流动状 态，提高湍流程度，对增强传热能收显著的效果． 但增加流速会 使流动阻力增加，应权衡两种因素，选择最佳的流速。 

2． 2． 2 改变换热面形状和大小 管壳式换热器的换热管可采用各种异形管、加肋片的管和 低翅片管，但要根据换热介质特性及工艺要求慎重选取，避免 因结垢导致换热效率降低。

 2． 2． 3 换热器的定期清洗可减小污垢热阻 金属壁热阻很小，可以忽略，但实际生产中，换热器运行一 段时间后，管壁会附着污垢，对传热十分不利。换热器清洗可 采用机械清洗、化学清洗、酸洗和碱洗等方式。 

3 总结

 综上所述，管壳式热交换器在工程实际应用中出现的故障 主要是泄露和传热效率低，在进行换热器工程设计时可以改变 部分设计参数，改进设计，减少换热器故障。采用避免管束振 动和减缓温差应力的设计方案可以有效减少换热器泄露; 通过 改变流体的流动情况，增加流速和改变换热面形状大小可以有 效提高管内、外对流传热系数，提高传热效率。此外，换热器定 期消除污垢、可以减少堵塞、最终提高换热器传热效率。