浅析板式换热器失效的几种因素及原因

来源：发布时间：2014-07-18 11:41:07点击率：

板式换热器作为一种紧凑高效的换热设备，尽管其发展已有近百年历史，且在一些部门（如食品、制药、氯碱等行业）有着广泛的应用，但是由于其耐温、耐压、耐腐蚀等能力的不足而制约了其应用范围。我公司某厂离子膜车间蒸发工段，采用两台BR0.2型板式换热器并联对碱液进行冷却，换热器热流体入口介质是温度在8 5℃以上的碱液（含少量盐），出口温度约为50℃。板片热交换器材质为304不锈钢板，压制成人字形0.6m m厚度波纹板，由具有反向左右的人字沟槽组成迷宫式的流体通道。经二年使用，板式换热器出现渗漏，采取板式换热器防泄漏措施一个月后不得不停车检修整体更换。下面简要分析下该板式换热器失效的原因。
    1、密封失效
    1.1密封垫片材料
    可拆式板式换热器使用时出现泄漏，其原因除板片腐蚀外，密封垫片材料的失效也是个重要因素。主要存在以下方式：①橡胶密封垫片材料在与流体接触时，当某流体组份渗入橡胶，有时可萃取其中的可溶解物质，导致产生橡胶密封垫片的溶胀；②卤素的存在和臭氧的作用使密封垫片变软或使其发生应力腐蚀开裂。③在某些条件下，特别是在高温下，弹性材料会分解并释放出化学物质，而这些物质本身会腐蚀板片材料，比如FPM橡胶会释放氧[1]。拆卸该板式换热器后，发现板片冷流体端表面光亮，局部有少量黑色垢状物,腐蚀坑数量较少并未穿透,且腐蚀坑中有黑色沉积物，故可推断为密封垫片腐蚀存在。
    1.2流体压力
    可拆式板式换热器在额定工作压力之内使用时出现泄漏，除设备在制造装配方面的质量因素之外，主要与系统中出现的水锤、气锤非正常冲击载荷有关，这是使用过程中不易观察到的现象。冲击所造成的瞬间压力峰值往往比正常的工作压力高出1-3倍，使安装在板式换热器中的橡胶密封垫移位，导致密封失效[2]。由于该种设备的传热元件，采用不锈钢薄板制造（厚度为0.5-1.0m m），其密封刚性相对较差且密封周边很长，所以耐冲击压力的能力远低于管壳式换热器。板式换热器的这种非正常冲击可依据为其提供输送介质的设备来判断，在检修为该板式换热器输送碱液的碱泵时发现，泵壳存在少量蜂窝，说明泵运行过程中有气蚀现象；同时因前期板片的周围存在泄漏的情况，故可推断流体压力的变化也是泄漏的一个可能因素。
    1.3温度
    温度的急剧变化也能造成密封失效。当温度变化过快时，橡胶密封垫的线胀系数与弹性变形量和密封预紧力不相匹配，使密封预紧力下降，造成设备承压能力低于额定设计压力。
    从该板式换热器的工作条件看，温度对其的影响不大，故可排除。
    2、腐蚀
    板式换热器的腐蚀主要是指板片的腐蚀。板式换热器大多是由不锈钢薄板压制而成，不锈钢虽有极好的耐腐蚀性，但是在钝化膜被破坏后将使不锈钢板片产生均匀的或局部的腐蚀。板式换热器表现出的腐蚀现象大多是Cl－引起的应力腐蚀，常发生在板片密封槽底部以及有污垢形成后的垢底部位，其主要成因为：①不锈钢板片由机械冷冲压而成，不可避免地残存一定量的表面残余应力，对于不含钼元素的不锈钢薄板，表面残余应力的消除是很困难的。②板片组装后形成了多缝隙结构，相邻板片波纹顶端相互交叉形成大量触点。在交叉触点上将存在缝隙，缝隙内介质流动不畅，使缝隙内外存在氧的浓度差，从而引起缝隙腐蚀。③当板片表面的污垢严重时，介质中的腐蚀元素（Cl、S等）可能大量附着于污垢，并在垢底缝隙处富集。④密封槽底中的有害元素往往是粘接剂中的Cl因温度升高失稳析出来的。如氯丁胶系列的粘接剂、压缩石棉垫（含有CaCl2），往往在水与蒸汽工况条件下，析出的富集Cl－与H＋形成H Cl，使槽底缝隙处发生严重的应力腐蚀开裂[3]。检查拆开的板片时发现，热流体侧进口处大部分板片有裂纹，且未清洗前均有一层厚厚的黑褐色沉积物；在板片热流体进口侧人字形波纹顶端、相邻板片人字形波纹顶端的触点上，均有点状表面损伤及腐蚀斑点，周围有黑褐色沉积物。在每一板片上有1～2处发生穿孔腐蚀，均处在波纹顶端靠近热流体进口侧的相互交叉触点上，局部区域则成腐蚀麻点、麻坑。穿孔腐蚀坑热流体一侧裂口较明显，多数腐蚀呈缝隙形状，大部分已经穿透。因此可判断该板式换热器的腐蚀情况是多种因素的综合反应。
    3、分析与讨论
    根据上述分析及检验结果，该换热器板片失效主要是腐蚀失效，
    ⑴换热器采用三元乙丙胶作为密封垫，由于进口温度高加上压紧力的作用，使垫中的S元素与板片接触产生某种硫化物，促进了腐蚀的发生和扩张。
    ⑵换热器由众多板片交替排列、压紧组合而成，相邻板片波纹顶端相互交叉形成大量触点。在交叉触点上将存在缝隙，缝隙内介质不流动或流动不畅，导致缝隙内外存在氧的浓度差，从而引起缝隙腐蚀，使缝隙内某些区域优先发生腐蚀溶解，这是其均在触点处发生穿孔腐蚀的主要原因[4]。
    ⑶在碱液中含有少量氯化钠，使板片缝隙处含有较高浓度的Cl-离子，由于其具有很强的穿透能力，破坏甚至穿透表面钝化膜，从而使基体金属直接与介质接触，引起腐蚀溶解；S元素的存在可能产生某些硫化物，更促进了腐蚀的发生和扩张。
    ⑷换热器人字形波纹板片是经冲压成型的，形变产生的大量马氏体，并且晶内弥散成排析出的细小碳化物，使不锈钢抗腐蚀能力降低。形变后的残余应力，加上板片装配时施加的加紧力，均会在波纹顶端造成较大应力，促进了晶间腐蚀，并产生沿晶扩展为裂纹[5]。
    ⑸换热器在操作系统中，受到超过额定载荷的非正常冲击时，容易产生密封垫的移位而引起泄漏。

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