列管式换热器失效原因分析及解决措施研究

列管式换热器失效原因分析及解决措施研究

田正义 柴源 吴飞 曹亮 曹浩 杨锐花 田雅赟

（甘肃 白银 730900）

摘要：列管式换热器作为一种广泛应用于工业领域的热交换设备，通过两种流体在管程和壳程中的对流，实现热量的传递和温度控制。管程中的流体在换热管内流动，而壳程中的流体则在管外环绕流动。两种流体通过管壁这一共同界面进行热量交换，从而实现热量的高效传递。本文主要介绍了TDI产品生产过程中列管式换热器失效的原因及其针对性的解决措施。文章详细剖析了腐蚀、结垢与堵塞、热应力与机械应力等导致换热器失效的主要因素，并提出了优化介质环境、加强定期检查与维护、合理控制流速和选用抗结垢材料等一系列预防和处理技术。

关键词：甲苯二异氰酸酯；列管式换热器

1. 研究背景

列管式换热器作为一种广泛应用于工业领域的热交换设备，通过两种流体在管程和壳程中的对流，实现热量的传递和温度控制。管程中的流体在换热管内流动，而壳程中的流体则在管外环绕流动。两种流体通过管壁这一共同界面进行热量交换，从而实现热量的高效传递[1]。

列管式换热器主要由壳体、管板、换热管、封头以及折流挡板等核心组件构成，壳体负责提供整个换热器的外部保护，其坚固性和密封性对于确保换热器内部的稳定运行至关重要。管板则作为支撑和固定换热管的骨架，其材质和结构的合理性直接影响到换热管的排列与布局[2]。换热管作为热量传递的主要通道，其材质、直径、长度以及管间距等参数均经过精心计算和选择，以实现最优的换热效果。封头则用于封闭换热器的两端，确保流体在管程和壳程中正常流动。折流挡板则通过设置特定的流道，使流体在壳程中形成一定的流动形态，以增强换热效果。

在材质方面，列管式换热器可根据实际工况和换热需求，选择普通碳钢、紫铜或不锈钢等材质进行制作[3]。这些材质具有优良的导热性、耐腐蚀性和机械强度，能够满足不同工作环境下对换热器的性能要求。

甲苯二异氰酸酯(TDI)是一种重要的工业产品，主要用作聚氨酯发泡材料的原料。光气化反应生产TDI产品的技术已具备成熟的工艺，但光气化法生产TDI过程中产生的换热器失效问题一直没有得到有效解决。针对上述问题，本文对目前光气化法生产TDI产品过程中存在的失效原因进行分析汇总，并针对性的提出相应的解决方案。

2. 列管式换热器失效原因分析及解决措施研究

2.1 腐蚀失效

电化学腐蚀在列管式换热器的运行中是一个值得高度重视的问题。管板与列管焊接处存在的焊缝缺陷，如凹陷、气孔和夹渣等，这些细微的瑕疵会导致焊缝应力分布不均，从而构成电化学腐蚀的潜在风险[4]。特别是在工业环境中，水中氯离子和氧的浓度变化对金属的腐蚀行为有着至关重要的影响。氯离子的存在能够加速金属的腐蚀过程，而氧浓度的变化也会直接影响腐蚀的形态和速率，这些因素共同加剧了换热器腐蚀失效的可能性。

冲刷腐蚀同样是换热器面临的重要挑战。当防冲板的材料或固定方式不合理时，换热管会受到介质的直接冲刷，从而导致管壁的腐蚀减薄。特别是在介质流动速度较高且含有大量液滴的情况下，管子受到的汽、液两相冲刷作用更为显著，这种冲刷作用会进一步加剧腐蚀减薄的程度。折流板附近也是冲刷腐蚀的高发区域，直接冲刷可能导致管子穿孔或变形等严重缺陷。

针对电化学腐蚀和冲刷腐蚀等问题，需要采取相应的预防和应对措施。这包括优化焊接工艺以减少焊缝缺陷、选用耐腐蚀性能优异的材料、合理设计防冲板结构等。通过这些措施的实施，可以有效提高换热器的耐腐蚀性和抗冲刷性能，从而延长其使用寿命并保障工业生产的稳定运行。

2.2 结垢与堵塞失效

在TDI生产过程中，水质问题对于换热器的性能和寿命有着至关重要的影响。工业水中含有的杂质和沉积物，在流经换热器管道时，会逐渐附着于管道内壁，形成一层或多层结垢。这些结垢物不仅减少了热传导的有效面积，降低了换热效率，还可能引发管道内水流的不均匀分布，进而导致局部过热和应力集中，对管道材料造成潜在损害。

更为严重的是，气泡堵塞现象也是换热器运行中常见的故障之一。在换热器内部，由于水温、压力的变化以及水流的动力学特性，可能会产生气泡并聚集在管道内部。这些气泡不仅占据了管道的有效流通面积，阻碍了热介质的正常流动，而且可能导致传热表面的局部冷却或过热，从而影响换热器的整体性能。

除了水质问题和气泡堵塞外，换热器的维护状况也是决定其运行效果的关键因素。如果换热器长期未得到适当的清洗和维护，管道内的结垢和堵塞物将逐渐积累，加重换热器的负担，甚至可能引发更严重的失效问题[5]。定期对换热器进行专业的清洗和检查，及时去除管道内的污垢和沉积物，是保障换热器长期稳定运行、防止结垢与堵塞失效的重要措施。

2.3 热应力与机械应力失效

在化工及能源设备中，管程与壳程的温度差异是一个至关重要的考虑因素。当两者之间的温差超出设备设计的承受范围时，管子与壳体将遭受显著的热应力作用。这种热应力不仅影响设备的稳定运行，还可能导致管子变形、开裂甚至断裂，从而引发严重的热应力失效。

为减轻这种热应力，设备中常采用挠性构件进行应力消减。如果挠性构件的设计不合理或在使用过程中受到损坏，其消减热应力的效果将大打折扣。在这种情况下，管子与壳体所承受的热应力无法得到有效的缓解，增加了设备发生热应力失效的风险[6]。

设备在运行过程中还可能面临振动与冲击的挑战。例如，当给水温度过低或机组负荷超载时，蒸汽流量和流速可能超过换热器的设计值，导致管子产生剧烈的振动和冲击。这种振动和冲击不仅会对管子本身造成损伤，还会对管子与管板之间的连接处产生反复的机械应力。长期如此，这些连接处可能会因疲劳而损坏，进而导致管束整体失效。

为确保设备的稳定运行和延长使用寿命，必须严格控制管程与壳程的温差，合理设计并定期检查挠性构件的完好性，以及优化设备运行条件以避免过大的振动和冲击

3. 总结

本研究深入剖析了列管式换热器失效的多种原因，涵盖了腐蚀、磨损、结垢、堵塞等核心失效形式。

腐蚀失效往往源于介质中的腐蚀性物质与换热器材料发生的化学反应，导致材料性能下降；磨损失效则主要归因于介质流动造成的管壁冲刷；结垢失效则是由于介质中的固体颗粒在管壁上沉积形成垢层，影响传热效率；而堵塞失效则通常由于杂质或沉积物阻塞管道，导致换热器无法正常工作。

为了有效应对这些失效原因，本研究提出了一系列针对性的解决措施。在结构设计方面，通过优化管道布局、选用耐腐蚀材料等方式，提高换热器的结构强度和抗腐蚀性；在制造工艺方面，通过改进焊接工艺、提高加工精度等手段，减少制造缺陷，提高换热器质量；在维护保养方面，通过定期检查、清洗管道、更换损坏部件等措施，延长换热器的使用寿命。

参考文献

[1]刘月芹.浅谈换热器的分类和特点[J].化工设计通讯,2003,(03):39-42+2.

[2]方向红.列管式换热器与板式换热器的比较[J].安徽化工,2002,(04):43-44.

[3]张忠凯,刘玉英.列管式换热器的泄漏分析及防漏措施[J].化工设备与管道,2012,49(02):71-74.

[4]竹本昌史,王珏.列管式换热器的强度——液压胀管接头的拉脱紧固力[J].压力容器,1984,(02):68-75.

[5]倪建萍.列管式换热器的结垢原因和清洗方法[J].浙江化工,2007,(09):19-20.

[6]李云花,骆晓玲.基于U形管式换热器的优化设计研究[J].液压与气动,2006,(06):69-70.

姓名 ： 田正义，性别 ：男， 出生年月：1974.3，民族：  汉，籍贯 ：甘肃白银，学历  ：本科，现有职称 ： 高级工程师，研究方向 ：脂肪烃衍生物生产与管理