供暖系统板式换热器失效原因和维修技术研究

刘铠，张奇，李永哲

（吉林省四平地质工程勘察院，吉林 四平 136001）

换热器是工业生产领域中广泛应用的热量交换设备，换热设备主要作用是使热量从热流体传递到冷流体满足工业流程需要，换热设备在化工厂中投资约占总投资的10%～20%。近年来，工业生产中对换热器需求不断加大，国内使用换热器多为列管与螺旋板换热器。目前，管壳式换热器在化工炼油等工业中得到了广泛应用，新型焊接板式换热器具有顶部温差小、费用低等优点，适用于冷却冷凝、加热等方面。板式换热器是系列波纹板片叠加成的新型高效换热器，因具有换热效率高等优点在石油化工等行业得到了广泛应用。板式换热器板片薄、传热效果好，板片结构决定换热器传热阻力等性能，增减板片数量可满足板式换热器生产改变工艺条件的要求。板式换热器设计使用中经常发生泄漏等失效事故，分析板式换热器损坏原因研究维修技术具有现实意义。

1 供暖系统板式换热器研究

1.1 板式换热器类型与结构形式

换热器根据冷热流体热量交换方式分为间壁式与蓄热式，板式换热器近几年得到了迅速发展，在各领域得到广泛应用。板式换热器是由多个具有波纹形状的金属薄板相互平行方式堆叠组装，板式换热器应用广泛种类众多，根据外形包括板卷式与可拆卸板式换热器等。近些年焊接板式换热器在国内外得到开发应用，全焊接板式换热器组成部分包括换热板片、副流体侧嘴等部分，板束侧面装配四块面板，折流板安装在板束上使流体改变流动方向。板片换热元件结构决定其传热性能，人们研发出多种波纹形状板片，需要研究优化换热器板片设计减少故障损坏。

1.2 板式换热器特点

换热器热传递工艺装置种类繁多，根据冷热流体热量传递原理分为蓄热式与间壁式，间壁式换热器应用最广泛，主要特点是冷热流体被金属管板作为固体壁面隔开，热量通过金属笔传递。间壁式换热器可在高温高压下使用在石化工业中应用广泛。板式换热器是由系列波纹形状金属片叠装压紧成的新型高效间壁式换热器，板式换热器是薄金属板相叠形成，钎焊时换热器传热系数较高，铜钎焊板式换热器是铜箔材料在真空钎焊炉形成板式换热器。全焊接板式换热器具有板式换热器传热性能，拓宽板式换热器的应用领域，其耐高温高压特点确保取代大部分传统管壳式换热器工况。金属波纹板片是板式换热器主要换热元件，人字形与水平平直波纹板片在工业中广泛应用。人字形波纹板片传热效率高流动阻力大，随着流速提高，流体在流道内阻力增长快。板式换热器为热分系数a 的提高依赖流体条件的改变，组成的流道方向不断改变，低流速时激起强烈湍动，使流体在换热器内均匀分布。

1.3 板式换热器的应用

板式换热器是工业供暖系统传热中的重要设备，具有冷热流进出口温差大、热负荷高等特点。传统管壳式换热器传热效率较低，单元装置规模较大需采用多台并联方式，系统总压降较小，在多台设备并联运行时难以实现热负荷均匀分配，立置管壳式混合进料换热器不能满足装置扩能改造的要求，板式换热器自制冷装置应用后日益得到人们的重视，现有板式换热器板片波纹以人字形最多，板式换热器阻力较大成为限制其应用的主要因素，许多学者研究分析板式换热器波纹倾角对传热性能的定量影响。近年来，开发系列新型板式换热器促进生产量的提高，焊接型板式换热器质量轻、运行成本低等优势受到人们的关注，当前板式换热器存在工作温度压力低等缺点，我国板式换热器制造应用相比国外存在较大差距，合理选择版型是板式换热器优化合计的重要课题。

2 供暖系统板式换热器故障失效原因分析

现有能源主要是煤炭油气等资源，合理利用现有能源成为世界性的研究课题。换热器是衡量利用能源的关键设备，换热器合理设计对能量有效利用开发具有重要意义。板式换热器是用薄金属换热板片叠装成的换热设备，因其高效紧凑近年来得到迅速发展。目前，国内开发板片规格形式少，需要加强研究分析板片适用范围。板式换热器由于多种原因导致失效，需要系统总结故障失效原因采取有效的维修措施。

2.1 板式换热器失效形式

近年来，板式换热器快速发展在医药、暖通等工业领域广泛应用。板式换热器种类日益增多，根据连接方式分为焊接式与可拆式换热器，板式换热器使用中由于操作不当等原因导致出现故障失效影响供暖系统的正常运行。机械产品零部件失效形式有多种，板式换热器主要出现变形与腐蚀失效。板式换热器由于密封结构设计不合理等原因发生泄漏等失效事故，板式换热器流通截面积小易产生堵塞。结构堵塞导致换热面被污染导致阻力增大压降过大，金属材料经常在物理机械因素作用下产生破坏。

目前，板式换热器应用研究存在承压承温能力限制其应用范围扩大，增大换热系数提升换热效果，不能准确计算满足强度要求的板材强度等方面问题。板式换热器板片是由不锈钢等材料薄板压制，板片组装压紧力过大横向刚度不能抵抗塑性变形导致发生泄漏事故。板片两侧流体压力差较大，影响传热效果造成泄漏事故。密封垫片变形失效是发生永久压缩变形，腐蚀是材料表面受周围环境介质化学作用导致破坏现象，板式换热器板片腐蚀以局部点缝隙与应力腐蚀为主，换热板片不锈钢薄板钝化膜破坏后发生腐蚀，板式换热器出现腐蚀主要是应力腐蚀破裂。板式换热器缝隙腐蚀主要是发生在垢层底部，腐蚀扩展由于闭塞电池作用快速发展催化。应力腐蚀是腐蚀与拉应力作用造成材料破坏，加工制造产生残余应力等应力腐蚀是板式换热器主要腐蚀破坏形态。

2.2 板式换热器失效故障原因

失效是材料的累积损伤过程，失效分析是研究机械产品零部件使用中发生失效现象特征规律查找原因提出预防措施的技术管理活动。换热器化工设备安全运行影响装置的生产安全，换热器在石化设备损坏中占比最高，板式换热器失效分析期限短，工作效率要求高，需要有正确的分析思路得到正确结论。板式换热器失效客观规律是失效分析的理论基础，失效分析思路是以通过观察检查获得失效信息综合分析判断失效事件类型原因。失效分析程序主要包括明确目标要求、失效件观察检测等。目前失效分析技术包括痕迹与断口分析技术。

板式换热器设计制造中由于保养不及时等原因发生泄漏，内漏是压力较高侧介质串如低压侧介质中，泄漏事故主要由于密封失效引起。目前板式换热器密封垫片材料有压缩石棉纤维等。板片安装时密封垫片用胶水粘在板片密封槽内，生产运行中因操作不当等引起工作压力波动，使密封垫片位移导致密封失效泄漏。板式换热器流通截面积小结垢易产生堵塞，板片腐蚀产生堆积造成失效，结构堵塞导致换热面被污染传热效果差，结垢形式包括析晶颗粒与化学反应腐蚀结构等。板式换热器通道间隙较小，大直径颗粒杂物堵塞板片通道导致设备失效。板片腐蚀产物堆积堵塞通道，换热器相邻板片波纹顶端相互交叉形成大量触点形成湍流作用，介质中固体杂物集聚产生污垢积瘤。板片密封槽处常发生缝隙腐蚀造成介质外漏。金属材料受周围介质作用在物理机械作用下产生破坏，电化学腐蚀是金属材料与电解质溶解接触发生破坏。板式换热器板片应力腐蚀破裂常发生在密封槽底部，发生应力腐破裂原因包括板片间支承点处易结垢等。

3 供暖系统板式换热器失效维修技术

供暖系统中换热器是能量转换单元，两侧流体随外界环境扰动变化，为控制换热器出口温度处于需求范围必须合理设计控制系统，板式换热器在外界扰动等因素下运行，换热器运行动态特性是设计分析控制系统的重要依据。实践中换热设备控制系统失效主要由于错误估计动态特性，了解换热器稳态下热力学特性是亟待研究的课题。换热器性能受到波纹间距倾角与高度等因素的影响出现故障，需要研究处理板式换热器失效故障，保证供暖系统换热器设备正常运行。

某公司在物业热交换站安装使用4 台BR11 型板式换热器，投用初期运行状况良好，后期换热效果下降传热板片堵死无法进行换热影响供暖。传热板片是换热器主要起换热作用的组件，按照流体介质材质不同。板式换热器密封垫片主要起密封作用，两端压板主要是夹紧压住传热板片保证流体介质不泄漏。夹紧螺栓主要起紧固封头的作用，预紧螺栓时用力矩扳手使固定板片力矩均匀。通过运行发现，板式换热器存在循环水侧异物较多，板片表面结垢严重，密封垫片局部老化，蒸汽侧温度高部分发生塑性形变。与板片结合牢固表层较厚波形槽填满，循环水系统塑料填料片等聚集造成流体通道多处局部堵塞。针对换热器失效现象分析原因，系统蒸汽温度达200℃循环水与板片间摩擦力影响造成水垢形成，局部堵塞导致水循环阻力增大形成局部表面高温，产生局部堵塞引起更多水垢，局部堵塞引起水垢发展。水处理中化学剂对定脯橡胶有腐蚀作用，部分密封垫片老化发生塑性变形失效。循环水硬度达500mg/L 水处理系统处理效果不好加剧污垢形成。

板式换热器板片流体通道为人字形波纹沟槽，面向板片贴胶垫面人字形朝下A 板和B 板交替组装，居民家用暖气片大多为老式813 型铸铁暖气片，暖气改造施工工程质量把关不严，灰尘铁锈通过水循环进入换热器入口未设过滤器造成杂物聚集形成堵塞。针对换热器失效问题采取加强工程质量监督管理，将换热器与系统分开避免管网中杂质进入换热器；运行中对系统水与软化水进行严格水质化验合格后注入供暖管。供暖系统循环水系统增设过滤器，考虑在热交换器前增加过滤设备，全自动过滤器是利用滤网拦截水中的杂质去除颗粒物，减少系统污垢锈蚀等产生净化水质的精密设备。智能化设计系统可自动识别杂质沉积程度，全自动过滤器克服传统过滤产品纳污量小过滤部分需拆卸清洗等缺点，具有自动对过滤清洗排污功能，清洗时间短耗水量少，过滤器装配智能控制系统与自动清洗装置。供暖系统中应保持管网中的清洁避免换热器堵塞，板式换热器使用中水处理设备运行不当，将不合格软化水注入系统中，使碳酸盐遇热分解为碳酸钙粘结在换热器受热面形成水垢，造成换热器换热效率降低及热能浪费。目前，清洗剂采用酸洗包括有机酸与无机酸，甲酸清洗液中加入缓冲剂清洗效果好，甲酸可有效清除板片上的水垢，甲酸清洗水垢工艺为对换热器进行开式冲洗提高酸洗效果降低耗酸量；将柱满酸溶液换热器静态浸泡2 小时，每隔0.5h 进行正反交替清洗，酸液pH 值大于2 可重复使用。酸洗后用NaOH 软化水按比例配置，对换热器碱洗达到酸碱中和避免板片腐蚀。碱洗后用软化水对换热器冲洗0.5h，清洗中记录各步骤时间检查清洗效果，对换热器打压实验合格后使用。

4 结语

21 世纪全球经济呈现出高速发展态势，随着各经济体对能源需求的攀升，很多学者开始研究如何节能降耗合理利用能源实现可持续发展。工业生产消耗大量能源大部分以热能形式进行利用转换，换热器是使处于不同温度流体实现相互间热量传递的节能设备，在空调制冷等行业领域广泛应用。换热器吨位约占工艺设备的20%，板式换热器因其良好传热效果、造价低廉等优点，广泛应用于余热回收等领域，换热器使用中受到多方面因素影响出现故障失效，需要全面分析换热器失效原因，采取有效的维修处理技术。