列管式换热器失效原因分析及其改进措施

列管式换热器失效原因分析及其改进措施

列管式换热器在乙炔法生产聚氯乙烯过程中扮演着关键角色，但其换热管与管板的连接处容易因应力作用和腐蚀而失效，导致非正常停车检修。本文从基本结构出发，深入分析了机械胀接、液压胀接和焊接接头的泄漏原因，并提出了针对性的改进措施，为提高设备使用寿命和生产稳定性提供了重要参考。

基本结构及主要技术参数

列管式换热器的外形尺寸为φ2400mm×3000mm，换热管规格为φ57mm×3.5mm（见图1）。壳程设有3块折流板，实现上下两层冷却，冷却介质为90100℃软水。管程温度范围为80220℃，物料介质包括乙炔、氯化氢和氯乙烯。

换热管与管板的连接接头泄漏原因分析

常州化工厂原使用的列管式换热器采用三种连接方式：机械胀接、液压胀接和焊接。这三种方式均出现过泄漏失效问题。

机械胀接接头泄漏原因分析

机械胀接通过控制电流大小来实现胀管器滚锥转动，使换热管产生变形以达到与管板连接的目的。这种胀管方法易导致换热管过胀或欠胀，内壁易产生加工硬化，润滑不当还会导致磨损起毛。换热管与管板连接处的应力分布不均匀，在温差变化和应力作用下，微小缺陷如管孔纵向划痕会引发腐蚀介质侵入，造成连接失效。一旦壳程冷却水渗入管程，可能导致大面积管子与管板连接失效，修复难度较大。

液压胀接接头泄漏情况分析

液压胀接时换热管不易产生过胀，胀接部位稳定，应力分布均匀，理论上可靠性高于机械胀接。但根据GB151-1998标准，槽间距和槽宽为8~9mm，这使得管子与管板之间的胀接面积相对减少，需要加大管板厚度。液压胀接对管孔精度和开槽精度要求极高，且失效后修复难度大。

焊接接头泄漏失效的主要原因分析

焊接时高温产生热影响区，加上焊接工艺不规范，易形成残余应力和应力集中，这是产生腐蚀的主要原因。设备管程主要介质为氯乙烯、氯化氢及乙炔等，特别是含水率偏高时，CI-、H+等腐蚀环境易引发应力腐蚀开裂。此外，焊接缺陷如微气孔、裂纹、夹渣等也是造成腐蚀失效的重要因素。

结构设计上的改进和制造过程中的几个关键问题

结构设计上的改进

在壳程上层冷却水出口前增设溢流挡板，确保冷却水充满整个空间，避免空气层形成导致腐蚀。换热管与管板连接采用强度焊加贴胀结构（见图2），贴胀消除间隙防止间隙腐蚀，并增强抗疲劳破坏能力。采用液压胀管，增加管板厚度以保证胀接长度。

制造过程中的几个关键问题

制造过程中需注意以下要点：

• 严格控制管孔加工精度，采用φ40mm、φ57.5mm钻头钻孔和扩孔，再用φ57.8mm或φ57.9mm绞刀绞孔，消除管孔纵向划痕，保证尺寸精度一致性。
• 折流板与管板固定加工，最后拆开进行扩孔、倒角，确保所有管孔同心，并做好方位标记。
• 换热管外径偏差符合国标，采用退火处理的20#钢材质，两端表面除锈处理，除锈长度大于70mm。
• 穿管前清理管孔，穿管后清理残留铁锈。
• 控制焊接工艺，防止过热和残余应力过大，杜绝气孔、裂纹及夹渣等缺陷。
• 贴胀采用液压胀接，通过小样试验确定合适压力，确保胀接质量。
• 设备制造完毕后进行水压试验和气密性试验，适当延长试验时间以消除部分应力。
• 安装前对两端管板进行涂层防腐处理，建议选用耐高温耐腐蚀的氟碳涂料。

结束语

通过上述结构设计和制造改进措施，列管式换热器的使用寿命显著提升，非正常停机检修大幅减少，生产稳定性得到增强。