淺析板式換熱器失效的幾種因素及原因

                                   蔣忠智
                    （浙江巨化股份有限公司浙江衢州324004）
    【摘要】本文針對(duì)板式換熱器板片存在的腐蝕情況，從多個(gè)角度分析了造成其失效的因素。
    【關(guān)鍵詞】板式換熱器，失效，腐蝕
    板式換熱器作為一種緊湊高效的換熱設(shè)備，盡管其發(fā)展已有近百年歷史，且在一些部門（如食品、制藥、氯堿等行業(yè)）有著廣泛的應(yīng)用，但是由于其耐溫、耐壓、耐腐蝕等能力的不足而制約了其應(yīng)用范圍。我公司某廠離子膜車間蒸發(fā)工段，采用兩臺(tái)BR0.2型板式換熱器并聯(lián)對(duì)堿液進(jìn)行冷卻，換熱器熱流體入口介質(zhì)是溫度在8 5℃以上的堿液（含少量鹽），出口溫度約為50℃。板片熱交換器材質(zhì)為304不銹鋼板，壓制成人字形0.6m m厚度波紋板，由具有反向左右的人字溝槽組成迷宮式的流體通道。經(jīng)二年使用，板式換熱器出現(xiàn)滲漏，采取板式換熱器防泄漏措施一個(gè)月后不得不停車檢修整體更換。下面簡(jiǎn)要分析下該板式換熱器失效的原因。
    1、密封失效
    1.1密封墊片材料
    可拆式板式換熱器使用時(shí)出現(xiàn)泄漏，其原因除板片腐蝕外，密封墊片材料的失效也是個(gè)重要因素。主要存在以下方式：①橡膠密封墊片材料在與流體接觸時(shí)，當(dāng)某流體組份滲入橡膠，有時(shí)可萃取其中的可溶解物質(zhì)，導(dǎo)致產(chǎn)生橡膠密封墊片的溶脹；②鹵素的存在和臭氧的作用使密封墊片變軟或使其發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂。③在某些條件下，特別是在高溫下，彈性材料會(huì)分解并釋放出化學(xué)物質(zhì)，而這些物質(zhì)本身會(huì)腐蝕板片材料，比如FPM橡膠會(huì)釋放氧[1]。拆卸該板式換熱器后，發(fā)現(xiàn)板片冷流體端表面光亮，局部有少量黑色垢狀物,腐蝕坑數(shù)量較少并未穿透,且腐蝕坑中有黑色沉積物，故可推斷為密封墊片腐蝕存在。
    1.2流體壓力
    可拆式板式換熱器在額定工作壓力之內(nèi)使用時(shí)出現(xiàn)泄漏，除設(shè)備在制造裝配方面的質(zhì)量因素之外，主要與系統(tǒng)中出現(xiàn)的水錘、氣錘非正常沖擊載荷有關(guān)，這是使用過(guò)程中不易觀察到的現(xiàn)象。沖擊所造成的瞬間壓力峰值往往比正常的工作壓力高出1-3倍，使安裝在板式換熱器中的橡膠密封墊移位，導(dǎo)致密封失效[2]。由于該種設(shè)備的傳熱元件，采用不銹鋼薄板制造（厚度為0.5-1.0m m），其密封剛性相對(duì)較差且密封周邊很長(zhǎng)，所以耐沖擊壓力的能力遠(yuǎn)低于管殼式換熱器。板式換熱器的這種非正常沖擊可依據(jù)為其提供輸送介質(zhì)的設(shè)備來(lái)判斷，在檢修為該板式換熱器輸送堿液的堿泵時(shí)發(fā)現(xiàn)，泵殼存在少量蜂窩，說(shuō)明泵運(yùn)行過(guò)程中有氣蝕現(xiàn)象；同時(shí)因前期板片的周圍存在泄漏的情況，故可推斷流體壓力的變化也是泄漏的一個(gè)可能因素。
    1.3溫度
    溫度的急劇變化也能造成密封失效。當(dāng)溫度變化過(guò)快時(shí)，橡膠密封墊的線脹系數(shù)與彈性變形量和密封預(yù)緊力不相匹配，使密封預(yù)緊力下降，造成設(shè)備承壓能力低于額定設(shè)計(jì)壓力。
    從該板式換熱器的工作條件看，溫度對(duì)其的影響不大，故可排除。
    2、腐蝕
    板式換熱器的腐蝕主要是指板片的腐蝕。板式換熱器大多是由不銹鋼薄板壓制而成，不銹鋼雖有極好的耐腐蝕性，但是在鈍化膜被破壞后將使不銹鋼板片產(chǎn)生均勻的或局部的腐蝕。板式換熱器表現(xiàn)出的腐蝕現(xiàn)象大多是Cl－引起的應(yīng)力腐蝕，常發(fā)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?yàn)椋孩俨讳P鋼板片由機(jī)械冷沖壓而成，不可避免地殘存一定量的表面殘余應(yīng)力，對(duì)于不含鉬元素的不銹鋼薄板，表面殘余應(yīng)力的消除是很困難的。②板片組裝后形成了多縫隙結(jié)構(gòu)，相鄰板片波紋頂端相互交叉形成大量觸點(diǎn)。在交叉觸點(diǎn)上將存在縫隙，縫隙內(nèi)介質(zhì)流動(dòng)不暢，使縫隙內(nèi)外存在氧的濃度差，從而引起縫隙腐蝕。③當(dāng)板片表面的污垢嚴(yán)重時(shí)，介質(zhì)中的腐蝕元素（Cl、S等）可能大量附著于污垢，并在垢底縫隙處富集。④密封槽底中的有害元素往往是粘接劑中的Cl因溫度升高失穩(wěn)析出來(lái)的。如氯丁膠系列的粘接劑、壓縮石棉墊（含有CaCl2），往往在水與蒸汽工況條件下，析出的富集Cl－與H＋形成H Cl，使槽底縫隙處發(fā)生嚴(yán)重的應(yīng)力腐蝕開裂[3]。檢查拆開的板片時(shí)發(fā)現(xiàn)，熱流體側(cè)進(jìn)口處大部分板片有裂紋，且未清洗前均有一層厚厚的黑褐色沉積物；在板片熱流體進(jìn)口側(cè)人字形波紋頂端、相鄰板片人字形波紋頂端的觸點(diǎn)上，均有點(diǎn)狀表面損傷及腐蝕斑點(diǎn)，周圍有黑褐色沉積物。在每一板片上有1～2處發(fā)生穿孔腐蝕，均處在波紋頂端靠近熱流體進(jìn)口側(cè)的相互交叉觸點(diǎn)上，局部區(qū)域則成腐蝕麻點(diǎn)、麻坑。穿孔腐蝕坑熱流體一側(cè)裂口較明顯，多數(shù)腐蝕呈縫隙形狀，大部分已經(jīng)穿透。因此可判斷該板式換熱器的腐蝕情況是多種因素的綜合反應(yīng)。
    3、分析與討論
    根據(jù)上述分析及檢驗(yàn)結(jié)果，該換熱器板片失效主要是腐蝕失效，
    ⑴換熱器采用三元乙丙膠作為密封墊，由于進(jìn)口溫度高加上壓緊力的作用，使墊中的S元素與板片接觸產(chǎn)生某種硫化物，促進(jìn)了腐蝕的發(fā)生和擴(kuò)張。
    ⑵換熱器由眾多板片交替排列、壓緊組合而成，相鄰板片波紋頂端相互交叉形成大量觸點(diǎn)。在交叉觸點(diǎn)上將存在縫隙，縫隙內(nèi)介質(zhì)不流動(dòng)或流動(dòng)不暢，導(dǎo)致縫隙內(nèi)外存在氧的濃度差，從而引起縫隙腐蝕，使縫隙內(nèi)某些區(qū)域優(yōu)先發(fā)生腐蝕溶解，這是其均在觸點(diǎn)處發(fā)生穿孔腐蝕的主要原因[4]。
    ⑶在堿液中含有少量氯化鈉，使板片縫隙處含有較高濃度的Cl-離子，由于其具有很強(qiáng)的穿透能力，破壞甚至穿透表面鈍化膜，從而使基體金屬直接與介質(zhì)接觸，引起腐蝕溶解；S元素的存在可能產(chǎn)生某些硫化物，更促進(jìn)了腐蝕的發(fā)生和擴(kuò)張。
    ⑷換熱器人字形波紋板片是經(jīng)沖壓成型的，形變產(chǎn)生的大量馬氏體，并且晶內(nèi)彌散成排析出的細(xì)小碳化物，使不銹鋼抗腐蝕能力降低。形變后的殘余應(yīng)力，加上板片裝配時(shí)施加的加緊力，均會(huì)在波紋頂端造成較大應(yīng)力，促進(jìn)了晶間腐蝕，并產(chǎn)生沿晶擴(kuò)展為裂紋[5]。
    ⑸換熱器在操作系統(tǒng)中，受到超過(guò)額定載荷的非正常沖擊時(shí)，容易產(chǎn)生密封墊的移位而引起泄漏。
    參考文獻(xiàn)
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    [2]劉令勛，劉類貴動(dòng)態(tài)密封設(shè)計(jì)技術(shù)[M]北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，1995，22
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    [4]楊武，等，金屬的局部腐蝕[M]，化學(xué)工業(yè)出版社，1994，70-72
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