管壳式换热器泄漏的原因分析与解决方法

前言：管壳式换热器是目前应用最广泛的一种换热设备。与其它几种间壁换热器相比，单位体积设备所能提供的传热面积要大得多，传热效果也较好。由于设备结构紧凑、坚固，且能选用多种材料来制造，故适应性较强，尤其在大型装置和高温、高压中得到广泛应用。

一、列管式换热器介绍

多年来厂里给水换热器各种故障中，管系泄漏所占比重最大。表面式回热换热器水侧压力大于汽侧压力，一旦管系泄漏，给水就会冲入壳体，引起汽侧满水。水将有可能沿着抽汽管道倒灌人汽轮机，造成汽轮机汽缸变形，胀差变化，机组振动，甚至叶片断裂等事故。

这类由于换热器泄漏而引起整套装置停车和汽轮机进水的事故在厂里发生过多起。因此分析换热器泄漏原因，找出对策，以尽可能减少泄漏十分重要。

二、泄漏原因分析

列管换热器内部管系泄漏主要分为管子本身泄漏和端口泄漏。

1管子端口泄漏原因

1.1热应力过大

管壳式换热器在操作时，由于冷、热流体温度不同，使壳体和管壁的温度互有差异。这种差异使壳体和管子的热膨胀不同，当两者温差较大时可能将管子扭弯，或使管子从花板上拉松，甚至毁坏整个换热器。对此，就必须结构上考虑热膨胀的影响，采用各种补偿的方法。

换热器在启停过程中温升率、温降率超过规定，使高加的管子和管板受到较大的热应力，使管子和管板相联接的焊缝或胀接处发生损坏，引起端口泄漏：调峰时负荷变化速度太快以及主机或换热器故障而骤然停运换热器时，如果汽侧停止供汽过快，或汽侧停止供汽后，水侧仍继续进入给水，因管子管壁薄，收缩快，管板厚，收缩慢，常导致管子与管板的焊缝或胀接处损坏。这就是规定的温降率允许值只1.7℃／min- 2.0℃／min，比温升率允许值2℃／min- 5℃／min 要严格的原因。

1.2管板变形

主要是管板的加工变形及加工时产生的变形，管子与管板相连，管板变形会使管子的端口发生泄漏。

高加管板水侧压力高、温度低，汽侧则压力低、温度高，尤其有内置式疏水冷却段者，温差更大。

如果管板的厚度不够，则管板会有一定的变形。管板中心会向压力低、温度高的汽侧鼓凸。在水侧，管板发生中心凹陷。

在主机负荷变化时，加汽侧压力和温度相应变化。尤其在调峰幅度大，调峰速度过快或负荷突变时，在使用定速给水泵的条件下，水侧压力也会发生较大的变化，甚至可能超过高加给水的额定压力：这些变化会使管板发生变形导致管子端口泄漏或管板发生永久变形。

如果高加的进汽门内漏，则在主机运行中停运高加后，会使高加水侧被加热而定容升压，如水侧无安全阀或安全阀失灵，压力可能升得很高，也会使管板变形。

1.3堵管工艺不当

一般常用锥形塞焊接堵管。打入锥形塞时用力要适度；捶击力量太大，引起管孔变形，影响邻近管子与管板连处，会造成损坏而使之出现新的泄漏。焊接过程中，如预热、焊缝位置及尺寸不合适，会造成邻近管子与管板连接处的损坏。采用其他堵管方法，如胀管堵管、爆炸堵管等，如工艺不当，也会引起邻近管口的泄漏。因此应遵循严格的堵管工艺。

2管子本身泄漏原因

2.1冲刷侵蚀

一种原因是当蒸汽的流动速度较高且汽流中含有大的水滴时，管子外壁受汽、水两相流冲刷，变薄，发生穿孔或受给水压力而鼓破。换热器内部产生汽水两相流的主要原因：一是过热蒸汽冷却段内部及其出口的蒸汽达不到设计要求的过热度引起的；二是换热器的疏水水位保持过低或无水位或疏水温度远高于设计值或疏水流动阻力较大或抽汽压力突然降低等因素使疏水闪蒸，疏水进入下一级换热器时就带有蒸汽，冲刷换热器管造成损坏；三是当高加内某根管子发生损坏泄漏时，高压给水从泄漏处以极大的速度冲出会将邻近的管子或隔板冲刷破坏。另一种原因是受到蒸汽或疏水的直接冲击。因防冲板材料和固定方式不合理。在运行中破碎或脱落，失去防冲刷保护作用；防冲板面积不够大，水滴随高速气流运动，撞击防冲板以外的管束；壳体与管束间的距离太小，使入口处的汽流速度很高。

应力腐蚀破裂是指拉应力和特定腐蚀介质的共同作用而引起的金属或合金的破裂。其特征是，大部分表面上并未遭破坏，只有一部分细裂纹穿透金属或合金内部。应力腐蚀破裂能在常用的设计应力范围之内产生，因此后果严重。引起应力腐蚀破裂的重要因素有温度、溶液成分、金属或合金的成分、应力和金属结构。

2.2管子振动

给水温度过低或机组超负荷等情况下，通过换热器管子间蒸汽流量和流速超过设计值较多时，具有一定弹性的管束在壳侧流体扰动力的作用下会产生振动，当激振力的频率与管束自然振动频率或其倍数相吻合时，将引起管束共振，使振幅大大的增加，导致管子与管板的连接处受到反复作用力造成管束损坏，管束振动损坏的机理一般有：

①由于振动而使管子或管子与管板连接处的应力超过材料的疲劳持久极限，使管子疲劳断裂；

②振动的管子在支撑隔板的管孔中与隔板金属发生摩擦，使管壁变薄，最后导致破裂；

③当振动幅度较大时，在跨度的中间位置相邻的管子会相互摩擦，使管子磨损或疲劳断裂。

2.3管子给水入口端的侵蚀

入口管端的侵蚀损坏只发生在碳钢换热器中，是一种侵蚀和腐蚀共同作用的损坏过程：其机理是管壁金属在表面形成的氧化膜被高紊流度的给水破坏并带走，金属材料不断损失。最终导致管子的破损。有时损坏面可以扩大到管端焊缝甚至管板：给水pH值低（小于9.6）、含氧量高（大于7μg／L）、温度低（小于260℃）、紊流度大的情况下，容易发生侵蚀。

2.4腐蚀

当低压换热器的管材为铜，低加铜管常因泄漏严重而被迫更换。pH值8.5~8.8时，铜的腐蚀率最低．而碳钢要求pH 值不小于9.5。锅炉给水pH 值过高，导致了铜管的腐蚀。影响碳钢管束腐蚀的主要因素有：含氧量和给水pH 值：当给水中的溶解氧过高或pH 值过低，会使高加管子的内壁受到腐蚀，故给水溶解氧的浓度不得超过7pg／L，pH 值维持在9.3~9.6 之间。如果壳侧有氧气存在，将会引起管束外壁的氧腐蚀。铜沉积：会引起点腐蚀，形成点蚀坑。温度影响碳钢表面Fe3O4氧化膜的形成：一般认为在260℃％以上时，Fe3O4氧化膜比较稳定．低于这个温度时，Fe3O4氧化膜的保护程度取决于给水的pH 值和其他环境因素。pH 值大于9.6 时，安全。

2.5材质、工艺不良

管子材质不良，管壁厚薄不均，组装前管子有缺陷，胀口处过胀，管子外侧有拉损伤痕等，在换热器遇到异常工况时，会导致管子大量损坏。

三、处理对策

1泄漏发生以后的处理措施

泄漏发生时造成给水压力降低，送至锅炉的给水量减少。因此在发现换热器管系泄漏时要立即停运换热器，减少管子的损坏数量，减轻损坏程度。机组停运时，应检查高加是否泄漏，并想办法消除。

对于端口泄漏，应刮去原有焊缝金属再进行补焊，并进行适当的热处理，消除热应力：对于管子本身泄漏，应先查清管束泄漏的形式及位置，并选用合适的堵管工艺，堵塞管子的两个端口。无论采用何种堵管工艺，为保证堵管的质量，被堵管的端头部位一定要经过良好处理，使管板、管孔圆整、清洁，与堵头有良好的接触面。在管子与管板连接处有裂纹或冲蚀的情况下，一定要去除端部原管子材料及焊缝金属，使堵头与管板紧密接触。

2预防措施

2.1端口泄漏预防措施

换热器制造上应有足够厚度的管板，有良好的管孔加工、堆焊、管子胀接、焊接工艺外，运行上要使换热器在启停时的温升率、温降率不超过规定，水侧要有安全阀防止超压，检修上要有正确的堵管工艺。

2.2管子本身泄漏预防措施

（1）冲刷侵蚀预防措施

限制壳侧蒸汽或疏水的流速及防止疏冷段内闪蒸；蒸汽冷却段出口蒸汽要有足够的剩余过热度；防冲板的固定要牢固，面积足够，材质要好；保持壳侧水位正常，禁止低水位或无水位运行。

（2）管子振动预防措施

在高加汽侧安装汽侧安全门；限制壳侧蒸汽或疏水的流速；管子间距要足够大，这一方面降低了壳侧流速，另一方面减小了管子互相碰撞摩擦损坏的可能性：限制管束自由段长度。

（3）管子给水入口端的侵蚀预防措施

流体在管程或管程中的流速，不仅影响对流传热系数的数值，而且影响污垢热阻，从而影响总传热系数的大小。特别对于含有泥沙等较易沉积颗粒的流体，流速过低甚至可能导致管路赌塞，严重影响设备的使用。但增加流速又会使压力损失显著增大。因此，选择适宜的流速十分重要。限制给水流速，停用一列换热器或换热器堵管数量较多时，都会使管内流速明显增大，这时应让一部分给水经旁路进入锅炉或降低机组负荷；控制给水含氧量小7μg/L，控制给水pH 值在9.2- 9.6。

（4）腐蚀预防措施

消除应力，应力可以有各种来源，如外加应力、残余应力、焊接应力以及腐蚀产物产生的应力。材料选择时，使机组变成为无铜系统，这对整个机组的防腐和汽水晶质控制都有利；要有完善的放空气系统，在管道连接上一般建议不采用逐级串联的方式，以防不凝结气体在压力较低的换热器中积聚；保证放空气系统的正常工作，在启动时，水侧、汽侧应排净空气，给水水质要合格；出厂时要有良好的防腐措施，防止贮运过程中的腐蚀，对碳钢管换热器，通常对汽侧和水侧均采取充氮防腐的办法；换热器停用时，通常根据停用时间的长短，分别采用充水、充汽或充氮的防腐措施，在水侧适当调节除氧水的pH 值，以起保护作用。

（5）材质、工艺不良引起管子泄漏的预防措施

管壁至少应在2.0mm 以上以提高抗冲刷能力。组装前要对每根管子探伤、水压试验等检验；管束应热处理、无直观缺陷；管板管孔应保持一定的粗糙度、公差和同心度，管孔倒角或倒圆应光滑无毛刺。

（6）预防性堵管

进行预防性堵管。建议在堵一部分管的同时在管板上开一定大小的旁路孔，以降低给水流速，减轻腐蚀，此方法在国内外多家电厂采用过，证明可以适当延长换热器寿命，减少泄漏次数。

（7）流程的选择

在换热器中，哪一种流体流经管程，哪一种流经壳程，可考虑下列几点做为选择的一般原则：

a）不洁净或易于分解结垢的物料应当流经易于清洗的一侧。对于直管管束，上述物料一般应走管内，但当管束可以拆出清洗时，也可以走管外。

b）需要提高流速以增大其对流传热系数的流体应当走管内，因为管内截面积通常比管间的截面积小，而且易于采用多管程以增大流速。

c）具有腐蚀性的物料应走管内，这样可以用普通材料制造壳体，仅仅管子，管板和封头要采用耐蚀材料。

d）压力高的物料走管内，这样外壳可以不承受高压。

e）温度很高或很低的物料应走管内以减少热量的散失。当然，如果为了更好的散热，也可以让高温的物料走壳程。

f）蒸汽一般通入壳程，因为这样便于排出冷凝液，而且蒸汽较清洁，其对流传热系数又与流速关系小。

g）粘度大的流体，一般在壳程空间流过，因在设有挡板的壳程中流动时，流道截面和流向都在不断改变，在低Re数下（Re大于100）即可达到喘流，有利于提高管外流体的对流传热系数。

以上各点不可能同时满足，而且有时还会互相矛盾、故应根据具体情况，抓住主要方面，作出适宜的决定。

审核编辑：郭婷