換熱器污垢的清洗及檢驗

                             換熱器污垢的清洗及檢驗
                                 田峻    張楠
                   （濟南市鍋爐壓力容器檢驗研究所山東濟南250033）
    【摘要】換熱器都存在不同程度的污垢問題,結(jié)垢是指在設(shè)備系統(tǒng)中與流體相接觸的固體表面上逐漸積累起來的那層固體物質(zhì)，通常以混合物的形態(tài)存在。由于污垢運行隨運行時間而不斷增長，使換熱器的傳熱能力逐漸下降，這就要求周期性地進行清洗并定期進行全面檢驗。
    【關(guān)鍵詞】換熱器污垢；清洗；檢驗
    一、換熱器污垢的形成機理
    1.顆粒污垢：懸浮于流體的固體微粒在換熱表面上的積聚。這種污垢也包括較大固態(tài)微粒在水平換熱面上因重力作用的沉淀層，即所謂沉淀污垢和其他膠體微粒的沉積。
    2.結(jié)晶污垢：溶解于流體中的無機鹽在換熱表面上結(jié)晶而形成的沉積物，通常發(fā)生在過飽和或冷卻時。典型的污垢如冷卻水側(cè)的碳酸鈣、硫酸鈣和二氧化硅結(jié)垢層。
    3.化學(xué)反應(yīng)污垢：在傳熱表面上進行的化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生的污垢，傳熱面材料不參加反應(yīng)，但可作為化學(xué)反應(yīng)的一種催化劑。
    4.腐蝕污垢：具有腐蝕性的流體或者流體中含有腐蝕性的雜質(zhì)對換熱表面腐蝕而產(chǎn)生的污垢。通常，腐蝕程度取決于流體中的成分、溫度及被處理流體的pH值。
    5.生物污垢：除海水冷卻裝置外，一般生物污垢均指微生物污垢。其可能產(chǎn)生粘泥，而粘泥反過來又為生物污垢的繁殖提供了條件，這種污垢對溫度很敏感，在適宜的溫度條件下，生物污垢可生成可觀厚度的污垢層。
    換熱器的結(jié)垢每年耗資巨大，嚴(yán)重時會影響安全生產(chǎn)的進行。換熱器的結(jié)垢是指換熱器與不潔凈流體相接觸而在固體表面上逐漸積聚起來的那層固態(tài)物質(zhì)。結(jié)垢對換熱設(shè)備的影響主要有：由于污垢層具有很低的導(dǎo)熱系數(shù)，從而增加了傳熱熱阻，降低了換熱設(shè)備的傳熱效率；當(dāng)換熱設(shè)備表面有結(jié)垢層形成時，換熱設(shè)備中流體通道的過流面積將減少，導(dǎo)致流體流過設(shè)備時的阻力增加，從而消耗更多的泵功率，使生產(chǎn)成本增加。
    二、污垢的清洗
    從換熱面上清除污垢的方法，根據(jù)工作原理分為機械清洗法和化學(xué)清洗法兩類；根據(jù)設(shè)備是否運行分在線清洗和非在線清洗。
    1.機械清洗技術(shù)
    機械清洗是靠流體的流動或機械作用提供一種大于污垢粘附力的力而使污垢從換熱面上脫落。該方法的優(yōu)點：可以省去化學(xué)清洗所需的藥劑費用；可以除去化學(xué)方法不能除去的炭化污垢和硬污垢；避免了化學(xué)清洗后清洗廢液帶來的排放和處理問題；鋼材損耗微小；不容易引起被清洗設(shè)備的腐蝕。其缺點是：必須將設(shè)備解體；清洗時間長，費用較高；某些清洗方法需要系統(tǒng)中斷運行后才可以進行。
    機械清洗的方法可以分為兩類：一類是強力清洗法，如噴水清洗、噴汽清洗、噴砂清洗、高壓水射流清洗、強力清洗管等。另一類是軟機械清洗，如刮刀、鉆頭或鋼絲刷除垢和海綿膠球清洗。對于不同的污垢應(yīng)采用不同的機械清洗方法，機械清洗是工業(yè)中常用的除垢方法，它可除去炭化污垢和硬質(zhì)污垢。但采用機械清洗，常常須將換熱設(shè)備解體，因而時間較長，費用較高。
    2.化學(xué)清洗技術(shù)
    化學(xué)清洗就是在流體中加入除垢劑、酸、酶等以減少污垢與換熱面的結(jié)合力，使之從換熱面上剝落。
    (1)化學(xué)清洗的特點：
    化學(xué)清洗常常可以不必拆開設(shè)備，這對于塔類和管殼式設(shè)備特別重要。
    ①化學(xué)清洗能清洗機械清洗不到的地方。
    ②化學(xué)清洗均勻一致，微小的間隙均能洗到，而且不會剩下沉積的顆粒，形成新的污垢的核心。
    ③化學(xué)清洗可以避免金屬表面的損傷，如形成尖角，而這種尖角能促使腐蝕，并在其附近形成污垢。
    ④由于進行了防銹和鈍化處理，清洗后可以防止生銹。
    ⑤化學(xué)清洗的鋼材腐蝕量，幾乎可以忽略不計。即使是把酸洗時鋼材腐蝕率取為1毫克每平方米，其所損傷的壁厚也只在10um以下，而且一般情況比該腐蝕率要低。
    ⑥化學(xué)清洗可以在現(xiàn)場完成，勞動強度比機械清洗小。
    (2)目前采用的化學(xué)清洗方法分類有：
    按清洗方式分：①循環(huán)法：用泵強制清洗液循環(huán)，進行清洗。②浸漬法：將清洗液充滿設(shè)備，靜置一定時間。③浪涌法：將清洗液充滿設(shè)備，每隔一定時間把清洗液從底部卸出一部分，再將卸出的液體裝回設(shè)備內(nèi)以達到攪拌清洗的目的。④噴淋法：適用于大型容器的內(nèi)外壁清洗。⑤泡摸法。
    按使用的清洗劑分：堿清洗、酸清洗、絡(luò)和劑清洗、聚電解質(zhì)清洗、表面活性清洗、殺蟲劑清洗和有機溶劑清洗。
    按清洗對象分：單臺設(shè)備清洗和全系統(tǒng)清洗。
    按清洗時生產(chǎn)裝備是否停車分為：停車清洗和不停車清洗。不同的污垢應(yīng)該用不同化學(xué)清洗劑，在使用化學(xué)清洗劑時還應(yīng)注意清洗藥劑與設(shè)備結(jié)構(gòu)材料的相容性。化學(xué)清洗前應(yīng)做好如下準(zhǔn)備工作：了解和檢查被清洗設(shè)備的種類、型式、幾何形狀和尺寸；掌握設(shè)備的材質(zhì)及應(yīng)清洗到的地方；根據(jù)實際情況確定清洗劑的種類、清洗液的濃度和用量；妥善安排清洗用的水源、加熱清洗液用的熱源以及污水的處理和排放；安排清洗地點；進行污垢查,在有代表性結(jié)構(gòu)的位置取樣進行分析和溶解試驗將污垢用各種藥劑進行處理，求溶解度確定藥劑的品種、劑量及清洗時間。
    (3)常用的循環(huán)清洗方法的本程序為
    ①堿洗：用磷酸鹽加少量表面活性劑配制的水溶液清洗，能除去油、硅酸鹽和松動垢層。
    ②水沖洗：清洗掉上步堿液，使pH降至8～10。
    ③酸洗：用鹽酸、硝酸或其他酸，加上緩蝕劑的水溶液，循環(huán)清洗系統(tǒng)，使設(shè)備表面污垢完全清除。
    ④水沖洗：清洗掉上步殘留酸液，使pH升至4～5。
    ⑤中和：用0.1%氫氧化鈉和0.05%磷酸三鈉，徹底中和殘留在設(shè)備內(nèi)的酸液，并促進設(shè)備表面形成穩(wěn)定的保護膜。
    ⑥鈍化：使用鈍化劑使酸洗后的設(shè)備表面鈍化，不易腐蝕。常用的鈍化劑有亞硝酸鈉、磷酸三鈉等。
    3.化學(xué)清洗與物理清洗的比較
    化學(xué)清洗與物理清洗同樣都有對被洗材質(zhì)損耗小的優(yōu)點，但對于結(jié)構(gòu)復(fù)雜且表面處理要求高的設(shè)備來講，化學(xué)清洗就遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于物理清洗了；同樣,當(dāng)清除象碳化垢或致密堅硬垢時，物理清洗就優(yōu)于化學(xué)清洗了；物理清洗還沒有化學(xué)清洗排廢酸的污染問題。在化工生產(chǎn)中設(shè)備往往是結(jié)構(gòu)復(fù)雜的，所以經(jīng)常使用化學(xué)清洗。
    三、換熱器的檢驗
    換熱器作為壓力容器的一種類型，其定期檢驗的總體要求應(yīng)按《壓力容器定期檢驗規(guī)則》相關(guān)內(nèi)容進行。同時，如上所述，換熱器的結(jié)構(gòu)又不同于一般壓力容器，其特點是管殼式，兩種溫度不同的介質(zhì)分別在殼程和管程流動，實現(xiàn)熱量傳遞，兩種介質(zhì)在管程和殼程的流動易造成結(jié)垢，垢層的形成對傳熱效果有很大的影響，同時又容易引起換熱管和殼體及管板的破壞，因此，換熱器在定期檢驗時，應(yīng)重視對垢層的檢驗，尤其是易結(jié)垢部位的檢驗。
    1.外觀檢查
    用目測或5-10倍放大鏡對換熱管、換熱管與管板連接處、殼體開孔部位進行檢查。外觀上垢層與金屬的顏色特征有明顯的不同，可借助金屬小捶輕敲管壁及結(jié)構(gòu)不連接處，結(jié)垢嚴(yán)重部位聲音渾濁、沉悶，無金屬清脆聲音，有時垢層會因敲擊而脫落，對結(jié)垢嚴(yán)重部位應(yīng)進行除垢。
    2.換熱管內(nèi)的結(jié)垢情況檢查
    一般情況下從換熱管的兩端部位進行目測檢查，同時配以光束平行于管軸進行光束檢查。一種更有效的檢測方法是超聲波測厚，對管子不同部位進行測厚，若結(jié)垢較嚴(yán)重，則測厚數(shù)據(jù)顯示不穩(wěn)定，變化較大，有時無數(shù)據(jù)顯示，這時可斷定管內(nèi)壁結(jié)垢較嚴(yán)重。
    3.硬度及金相檢查
    對于長期運行在高參數(shù)(高溫)工況的換熱器，有時因結(jié)垢原因?qū)е聜鳠嵝蚀蟠蠼档?，垢層附著在金屬壁上，使金屬長時間處在高溫狀態(tài)下，已引起過熱，而導(dǎo)致金屬高溫蠕變或材質(zhì)劣化，最終導(dǎo)致?lián)Q熱管爆破或失效。因此，有時需采用硬度計對換熱管進行硬度測定，若硬度異常則說明結(jié)垢嚴(yán)重或金屬材質(zhì)劣化，應(yīng)進行維修或換管，金相檢查可判斷金屬的晶體結(jié)構(gòu)和組織有無變化，如是否出現(xiàn)了馬氏體等淬硬組織。
    4.換熱管與厚板連接部位檢查
    該連接部位一般為焊接、脹接和脹焊接合三種結(jié)構(gòu)。脹接和脹焊兩種結(jié)構(gòu)在該部位往往留有縫隙，縫隙的存在易導(dǎo)致結(jié)垢和產(chǎn)生縫隙腐蝕，因此，該部位應(yīng)重點檢查。一般采用目測和5-10倍的放大鏡檢查，同時用金屬小捶輕敲金屬壁，必要時對連接部位用便攜式金相顯微鏡做金相檢查，以判斷連接部位金屬的損傷或劣化程度，有必要時也可用磁粉探傷或滲透探傷方法進一步檢查連接部位金屬是否有裂科紋產(chǎn)生。  
    四、結(jié)論
    本文相對詳細(xì)地介紹了在線化學(xué)清洗方法，它一不需要拆開設(shè)備，可以不影響系統(tǒng)的正常運行，不會降低系統(tǒng)的工作效率，二可以相對簡單的現(xiàn)場完成清洗工作，勞動強度小，三可以清除機械清洗不到的遺漏處的污垢，達到很好的清除效果，而且在線化學(xué)清洗可以避免清洗過程中對設(shè)備的意外損傷，保證了系統(tǒng)的安全性。但要注意的是對于不同污垢成分要選擇相應(yīng)的化學(xué)清洗藥劑，本文中對此有詳細(xì)的說明，由此可以較徹底地清洗掉換熱設(shè)備中產(chǎn)生的污垢。在重視對換熱器中污垢清洗的同時，也應(yīng)對換熱器的定期檢驗提高認(rèn)識，應(yīng)按照國家相關(guān)規(guī)定定期進行全面檢驗，從污垢形成的初始階段得以及時地發(fā)現(xiàn)并清除污垢。   
【參考文獻】
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［4］《壓力容器安全技術(shù)》2005年第三期.
［5］《壓力容器定期檢驗規(guī)則》.