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1、浮头式换热器失效分析及其优化摘要:管壳式换热器是广泛应用于各个领域的工业设备,在国民经济中具有非常重要的作用,浮头式换热器是管壳式换热器的一种，由于浮头式换热器管束可以抽出来，清洗方便，管束在使用过程中由温差膨胀而不受壳体约束，不会产生温差应力等优点，它的应用范围较广，其质量的好坏直接影响到石油化工企业的安全和经济效益，造成物料浪费和环境的污染，本文主要从最基础的设计，制造安装，操作使用等级环节查找浮头式换热器故障的基本原因。并且效率问题是设计工作的核心，利用优化设计原理,建立了以浮头式换热器优化设计模型

2、，分析影响年总费用的因素,并提出优化方案。关键词:浮头式换热器;失效分析;　换热器是石油化工、化学工业、能源工业等生产领域中应用很广泛的热量交换设备,尤其在炼油企业中,换热器更是其龙头装置-常减压装置的关键设备之一,它能否安全、连续、有效地运行,直接影响本装置及后续装置的正常生产和经济效益。据石油化工设备损坏的统计资料,在各类设备损坏的百分比中,换热器占的比例最高,为27.2%,远远高于占第2位的塔、槽等设备总损坏的比例(17.2%)。由于浮头式换热器管束可以抽出来,清洗方便,管束在使用过程中温差膨胀而不

3、受壳体约束,不会产生温差应力等优点,广泛应用于石油、石化、制药、食品等行业,由于管程内外介质压力的不同、介质的腐蚀、冲刷、温度、焊接缺陷以及密封材料的损坏,使得换热器故障不断,影响着生产装置的正常运行和工厂的经济效益,造成了物料的浪费和环境的污染,已成为生产中不可忽视的问题。1　概述浮头式换热器是由管箱、壳体、管束、浮头盖、外头盖等零部件组成。其优点是:①管束可以抽出,以方便清洗管、壳程;②介质间温差不受限制;③可在高温、高压下工作,一般温度小于等于4500℃,压力小于等于6.4MPa;④可用于结垢比较严

4、重的场合;⑤可用于管程易腐蚀场合。缺点是:①小浮头易发生泄漏:②金属材料耗量大,成本要高出20%;③结构复杂。浮头式换热器的一端管板固定在壳体与管箱之间,另一端管板可以在壳体内自由移动,这种换热器壳体和管束的热膨胀是自由的,管束可以抽出,便于清洗管间和管内。浮头式换热器适用于壳体和管束温差较大或壳程介质易结垢的条件。这类换热器壳体和管束对热膨胀是自由的,故当两种介质温差较大时,管束与壳体之间不产生温差应力。浮头端设计成可拆结构(也有设计成不可拆的),使管束很容易地插入或抽出,这样为检修、清洗提供了方便。浮

5、头式换热器腐蚀泄漏是主要的故障问题。第一,浮头式换热器适用于管壳壁间温差较大的场合。因此,管程内外介质压力的不同,温差热应力较大均会使管板承受较大的轴向载荷,产生弯曲变形,破坏狭窄的密封面,造成介质的泄漏。第二,由于浮头式换热器清洗方便,它还适用于易于腐蚀和易于结垢的场合,因此介质的腐蚀、冲刷,使壳程管壁、管束管壁减薄、出现腐蚀坑,增加泄漏,降低设备寿命。并且,管束和壳体的间隙较大,故有害旁流较严重,从而增加管束的振动,使得壳程管壁、管束管壁减薄,增加泄漏。第三,由于浮头式换热器结构较复杂,而且浮头端小盖

6、在操作时无法知道泄漏情况,所以在安装时要特别注意密封。第四,由于这类换热器结构复杂、笨重、材料耗量最大。加工制造如再遇上材料选择与工艺要求不符,加工制造中的焊接缺陷等,这些均会使得设备密封性能降低,加速腐蚀泄漏。第五,操作过猛过快等不稳定操作,补充介质不及时等都会加剧管束振动,导致泄漏。2　失效分析失效分析在生产发展和技术进步中有重要作用。通过失效分析,可以判明或预测发生失效、事故的原因,找出防范事故、提高产品质量与可靠性的措施,避免同类事故的再次发生,保障生产安全及人民生命财产安全,推动科技和社会进步。

7、浮头式换热器的失效分析。主要是:(1)疲劳分析:压力的交变引起突变的机械应力,温度的交变在某些情况下会引起交变的温差应力;(2)腐蚀失效分析:换热器的腐蚀失效是指和介质接触的器壁受到腐蚀介质的侵蚀而产生破坏。对重大或恶性失效事件的失效分析常用的分析思路主要有残骸分析法、统计分析法和系统分析法等。残骸分析法是失效分析工作者常用的方法之一,而统计分析法和系统分析法则常被管理专家和安全工程工作者所采用。残骸分析法最主要的关键技术是寻找首先破坏件、断裂源的位置,诊断失效模式,分析断裂原因和影响因素,以及失效事故的

8、综合分析等。断裂模式的诊断主要从变形情况、碎片情况、材质情况、应力情况、环境情况和断口裂纹的特征等方面入手。归纳起来,引起失效的原因主要有:①设计原因:结构不合理,工作压力太大;②材质原因:性能不合格,缺陷超标;③制造原因:工艺不合理,尺寸不合格,表面质量差,残余应力过大;④使用原因:违章操作,工作参数控制不当,环境作用和影响;⑤设备或材料老化:“老化”、“退化”和超期服役。在失效分析中不可只针对上述其中任一项做分析研究诊断。