管殼式換熱器管束失效的原因分析
腐蝕:
換熱器多用碳鋼制造,冷卻水中溶解的氧所致的氧極化腐蝕極為嚴重,管束壽命往往只有幾個月或一二年,加之工作介質又有許多是有腐蝕性的,如小氮肥的碳化塔冷卻水箱,在高濃度碳化氨水的腐蝕和碳酸氫氨結晶腐蝕雙重作用下,碳鋼冷卻水箱有時僅使用二三個月就發(fā)生泄漏。
結垢:
在換熱器操作中,管束內外壁都可能會結垢,而污垢層的熱阻要比金屬管材大得多,從而導致?lián)Q熱能力迅速下降,嚴重時將會使換熱介質的流道阻塞。
流體流動誘導振動:
為強化傳熱和減少污垢層,通常采用增大殼程流體流速的方法。而殼程流體流速增加,產生誘導振動的可能性也將大大增加,從而導致管束中管子的振動,最終致使管束破壞。常見的破壞形式有以下幾種:
1、碰撞破壞
當管子的振幅足夠大時,將致使管子之間相互碰撞,位于管束外圍的管子還可能和換熱器殼體內壁發(fā)生碰撞。在碰撞中,管壁磨損變薄,最終發(fā)生開裂。
2、折流板處管子切開
折流板孔和管子之間有徑向間隙,當管子發(fā)生橫向振動的振幅較大時,就會引起管壁與折流板孔的內表面間產生反復碰撞。由于折流板厚度不大,管壁多次、頻繁與其接觸,將承受很大的沖擊載荷,因而在不長的時間內就可能發(fā)生管子被切開的局部性破壞。
3、管子與管板連接處破壞
該連接結構可視為固定端約束,管子振動產生橫向撓曲時;連接處的應力最大,因此,它是最容易產生管束失效的地區(qū)之一。
4、材料缺陷的擴展造成失效
管子材料本身存在缺陷(包括腐蝕和磨蝕產生的缺陷),那么在振動引起的交變應力作用下,位于主應力方向上的缺陷裂紋就會迅速擴展,最終導致管子失效。
5、振動交變應力場中的拉應力還會成為應力腐蝕的應力源
流動誘導振動引起管子破壞,易發(fā)生在撓度相對較大和殼程橫向流速較高的區(qū)域。此區(qū)域通常是U形彎頭、殼程進出口接管區(qū)、管板區(qū)、折流板缺口區(qū)和承受壓縮應力的管子。
工程實踐中可采取以下具體的抗振方法:
a)制定合理的開停工程序,加強在線監(jiān)測,嚴格控制運行條件, 在流體入口前設置緩沖板或導流筒,既可以避免流體直接沖擊管束,降低流速,又可以減小流體脈沖;
b)降低殼程流體流速可以降低流體誘導振動的頻率,是防止管束振動最直接的方法,但同時傳熱效率也會隨之降低;
c)適當減小折流板間距,增大管壁厚度和折流板厚度,折流板上的管孔與管子采用緊密配合,間隙不要過大,可以優(yōu)化結構設計,增加管束固有頻率,使流體誘導振動頻率遠離管子固有頻率;
d)改變管束支撐形式,采用新型縱向流管束支撐,如折流桿式、空心環(huán)式及整圓形異形孔折流板等,可有效消除流體誘導振動,也可減小殼程壓力降。