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摘要：随着技术领域的进步及产品性能要求的日益提高，各种新技术、新工艺、新材料和新结构的换热器广泛应用到生产实践中。同时对换热器的经济性、可靠性和安全性要求也越来越高，过去片面的追求短期的经济效益的观念正逐渐被摒弃，“安全优先”的观点已经深入人心。相比于传统换热器，板壳式换热器优点众多但存在着许多安全隐患，一旦发生破坏失效，将造成灾难性破坏。利用故障模式与影响性分析的方法对板壳式换热器各组件常见故障进行分析，并提出相应的预防措施，这对其结构优化和日常维护是十分有意义的。
关键词：板壳式换热器；可靠性；故障模式
0前言
故障模式与影响性分析（FMEA）是对于整个系统或者是产品的各个小的组成部分，按照一定的顺序进行系统的分析和考察，查出系统中各个子系统或者元件可能发生的各种类型的故障，并且分析故障对系统、单元或者产品的功能造成的影响，从而提出相应的改进措施，以提高系统或者产品可靠性能和安全性能的一种方法。基于整个板壳式换热器，本文采用故障模式与影响性分析的方法（FMEA），根据其结构特点，辨识出板壳式换热器存在安全隐患的组件，进一步确定辨识对象的系统和元件的划分，最后确定每个对象的分析层次。本章主要是根据理论设计、实践经验以及相关的研究资料，分析板壳式换热器不同类型故障的发生概率、危害程度以及对企业生产造成不良影响进行系统全面的分析。
1功能安全及FMEDA简介
功能安全是依赖于系统或设备对输入的正确操作，满足性能等级要求，实现安全目标。它是系统执行能力可靠性评估的重要指标，主要表现在规定的时间内完成受控设备需要相关系统执行动作，完全执行该动作的概率。FMEDA故障模式、影响和诊断分析是FMEA故障模式和故障影响分析的一种衍生，是在FMEA识别产品不同元件的失效模式融合评价失效影响的一种自上而下的方法。它主要增加了两部分信息：对分析部位给出定量的失效数据—安全失效率、危险可检测失效率、危险不可检测到失效率、安全分数和安全失效模式的分布值：系统或者是子系统通过自动在线诊断发现其内部失效的能力。工程实效表明，FMEDA技术在对系统失效参数比较了解的情况下，是分析产品失效最有效的方法。它能准确、全面地分析出产品失效与零件各元件故障的逻辑关系，最后对整个系统的功能等级进行评估。
2.板壳式换热器实例分析
2.1板壳式换热器故障类型分析
随着现在制造技术和社会生产的需要，各类换热器也竞相出台。所有的换热器作用都只有两个：第一是通过热交换让物料从工艺温度达到设定温度的要求，从而完成加热、冷却、蒸发、冷凝等工艺流程；第二则是利用有效的热源，进行余热回收等。不同场合所需换热器使用的环境各不相同，有的要求工作条件是高温高压，再加上换热工质本身具有易燃、易爆、有毒、强腐蚀性等苛刻条件下，若发生故障，就会给人—机—环境系统带来巨大的破坏。换热器一般的事故类型主要有燃烧爆炸、严重泄漏以及换热元件失效。
2.2板壳式换热器故障调查统计
根据统计调查分析对板壳式换热器主要发生的故障、各组件发生故障概率及故障造成的经济损失进行统计，统计结果如表1、2、3所示：
表1所示的是该板壳式换热器生产企业所生产的板壳式换热器近年来主要故障统计汇总表，从表可得：板壳式换热器的主要故障模式分为五大类：由板片减薄、腐蚀、气蚀组成的板芯故障；因焊接质量或材料缺陷而导致的焊缝开裂故障；壳程导流的分流板失效故障；法兰连接和密封装置失效故障；壳程泄漏和鼓胀故障。表2为该企业在2012到2015年度各个主要故障发生概率统计表。
从表1数据可得2012年平均每个小时出现产品的故障概率为：1.8×10-2次/小时，其中因板芯故障高达1.25×10-2次/小时，而其因板芯破坏而失效概率为0.69；2013年平均每个小时出现产品故障概率为：1.62×10-2次/小时，其中因板芯故障高达1.11×10-2次/小时，而其因板芯破坏而失效概率为0.67；2014年平均每个小时出现产品故障概率为：1.57×10-2次/小时，其中因板芯故障而造成的故障高达1.0×10-2次/小时，而其中板芯因破坏而失效概率为0.66；2015年平均每个小时出现产品故障概率为：1.43×10-2次/小时，其中因板芯故障而造成的故障高达1.0×10-2次/小时，而其中因板芯破坏而失效概率为0.71。
根据分析可得，在板壳式换热器五大类故障中，导致板壳式换热器主要发生的故障是板芯故障。由此可见，板芯是最薄弱的环节，板芯的破坏直接导致泄漏，导致板程和壳程的换热工质混合，对整个换热系统的压力和温度都造成较大的波动，轻则对企业造成停机检修，重则造成燃烧爆炸等，造成巨大的经济损失。
表3可得：造成板壳式换热器经济损失主要是板芯的破坏，占据事故总经济损失的65%左右，要提高板壳式换热器的安全性，主要从板芯入手。
3.3板壳式换热器板芯失效模式
板芯失效主要由有板芯穿孔或者是裂缝而造成的严重的失效泄漏方式，其主要的原因有如下几点：板芯受到板程和壳程的流体循环的冲刷减薄失效；板芯腐蚀失效；板程入口由于压力波动而造成的气蚀。
3.3.1板芯受到板程和壳程流体循环冲刷减薄失效
板壳式换热器主要由壳体和全焊接的换热板芯构成，可以根据不同换热面积，从而确定换热板芯中换热板片的数目。因为换热板片为薄片，壳体的体积也小，一个换热板片一方面受到壳程高温高压流体连续冲刷，另一方面受到板程入口流体连续冲刷。此外，还伴随着因流体温度和压力波动而引起的激烈振动。换热板片减薄，易使板片产生裂纹或穿孔，从而发生泄漏。通过统计数据发现，板壳式换热器方形板和无导流板一字型换热板在密封处和进出口换热板片破坏现象严重。
本文研究的波纹板板壳式换热器，换热板芯是由板片通过激光焊接而成，较好的焊接质量保证较好的密封性。此外，采用人字型波纹板片，曲折的波纹具有一定的挠性，当压力波动较大的时候有一定的吸收振动能力，从而起到一定的缓冲作用；对于流道中正面冲击板片的流体，波峰和波谷的圆弧过渡也有一定缓冲作用。此外，圆形的板片能够分流均匀，涡旋连续冲击的能量减少，因而降低板片因冲刷减薄而失效的故障概率。
3.3.2板芯腐蚀失效
传统管壳式换热器，腐蚀部位70%左右都是发生在换热管。而板翅式换热器，一般换热翅片和板片制造材料都采用00Cr19Ni10，虽然它有较好的耐腐蚀性，但因为翅片和板片比其他的组件都要薄，再加上板片在冲压制造过程中，一些不规范的加工操作以及材质缺陷等因素都会对板片冲压成型造划痕、凹坑等缺陷。例如：工人根据冲压工艺将薄板冲压成波纹板时，容易对板片造成其他压痕，使板片在高温高压环境中比较容易腐蚀；板片内缘和外缘经激光焊接导致焊缝有一定的残余应力，在流体冲刷振动及压力波动下容易引起应力腐蚀。根据板壳式换热器使用企业进行售后事故统计，数据显示：目前很多企业对于换热工质的冷流体采用自来水或者海水，且他们都来自敞开系统，水中含有的杂质较多，板片在冲刷的时候很容易磨损，继而板片腐蚀甚至穿孔。此外，在一些场合中当冷流体以较低的流速或间歇性流入，在板片波谷处很容易造成水质杂质沉积形成污垢，随着污垢沉积最终导致流体流道堵塞，一方面严重影响传热效率，另外一方面沉积的污垢以及腐蚀产物在换热板片下进一步造成垢下腐蚀，最终导致板片失效。
本文中的板壳式换热器的分流板和壳体采用的是两种活泼性不同的材料组成，在一定的组合工况下两种金属结合在一起还会发生电化学腐蚀。
3.3.3板程入口流体引起的气蚀
换热器进行热量交换都是以换热元件为载体。从传统的换热管，逐渐到翅片管，换热薄板等换热元件都是流体的必经之路。当高速流动的换热工质伴随着较大的压力波动，入口处的换热元件表面与流体接触处易出现洞穴状腐蚀破坏现象，主要原因是入口流通截面改变时会产生高速减压区，发生气蚀。气蚀首先使金属表面形成许多细小的麻点，最后麻点逐渐扩大成洞穴。从疲劳破坏的角度，板片表面疲劳破坏的主要原因是气蚀所产生的冲击力造成的，而换热工质的化学和电化学作用加速气蚀破坏的过程。板壳式换热器板程的入口较传统管壳式换热器入口较大，故高压减速现象减少，柔性波纹流道可以有效的吸收冲击力，从而可以有效减少入口气蚀破坏。
3.3.4板壳式换热器其他组件失效模式
板壳式换热器除了传热元件失效引起的泄漏之外，其它组件失效也会带来众多的安全隐患。根据故障统计数据，造成板壳式换热器事故发生的其他原因还有：工质进出口管与壳体焊接裂纹扩展、换热板芯的内缘和外援焊接密封失效、壳程分流板变形、连接法兰的密封失效、法兰及配套紧固件不对中、壳体鼓胀变形和壳体泄漏等。这些都是板壳式换热器在安装、检测或运行过程中容易发生故障的因素。
（1）焊缝故障失效模式对传热传质换热设备而言，采用焊接进行密封是必不可少的，焊接结构失效形式主要有脆性失效、塑性失效、疲劳失效、应力腐蚀失效等。板壳式换热器壳体进出口接管通过焊接连接，换热板芯通过激光全焊接形成密封。焊接过程中因焊接处温度较高，使熔融区的晶粒发生变化，若焊接工艺或焊接材料不符合规范，焊接过程很有可能造成裂纹、气孔、夹渣等焊接缺陷。当设备在苛刻的条件下使用，焊接缺陷不断延展，最终造成事故。
（2）壳程分流板变形为了使流速更加均匀分布到每个壳程中，实现高效逆流传热，壳程流体入口增设分流板。分流板一方面起着固定支撑换热板芯的作用，另一方面就是将流体均匀分配到距离流体入口不同的壳程波纹板区。因外部流体在入口处猛烈冲击，壳程的分流板很容易产生变形，导致分流孔与换热板芯入口不对中，且不能发挥对换热板芯有效支撑作用，从而导致换热效率较低，波纹板间出现换热死区，加剧了温差应力对板片的破坏。
（3）法兰连接失效板壳式换热器除了采用焊接进行连接之外，当在焊接强度不满足的情况下，采用法兰连接。法兰连接可以保证高强度，可应于更多工况。法兰失效的主要形式有：法兰对密封失效、法兰对及紧固件不对中等。一般法兰的密封形式是采用密封圈密封，当密封圈老化，以及密封圈质量差等原因都会出现密封失效的问题。法兰对及紧固件不对中是在加工过程中累计误差叠加或者出现较大误操作而引起的。
（4）壳体鼓胀和泄漏壳体是板壳式换热器最后一道保护墙。高温高压的换热工质在壳体内部进行换热，当壳体强度不够或者常年服役造成璧面减薄，承载能力下降，壳体容易发生鼓胀。对于大型设备的壳体，可能是由多个旋压钢板焊接组成，若焊缝失效，就会造成壳体泄漏，巨大的压力和能量瞬间释放，造成极大的破坏。
3.4板壳式换热器故障模式与影响分析表
通过对板壳换热器的各个组件发生故障类型分析，以及在企业实习期间根据制造生产企业、使用企业反馈、以及企业的经济损失分析结果将板壳式换热器不同组件发生的故障制成直观的等级表，如表4所示。对于板壳式换热器在服役期间的故障情况，可按表5进行定量分析。
上述对板壳式换热器的基本故障进行了详尽分析，将故障类型影响分析表如表6-6所示。
由表4板壳式换热器故障严重等级表可得：造成板壳式换热器灾难性破坏的等级为四级，它会影响换热效率及经济效益，轻则造成换热系统瘫痪，重则造成爆炸等严重事故。
由表6可得：板壳式换热器的换热板芯是通过激光全焊接而成，不存在密封圈失效泄漏的问题；扁平的波纹板流道可以吸收一定的冲击波，减少换热板片的振动；换热板片平滑，流道较小，可保持较高的流速使流道不容易结垢，从而降低了垢下腐蚀速率；高的传热效率和大的传热面积，使得它结构紧凑，体积较小，即使发生故障易停机操作和维修；此外，壳体和换热板芯是可分开的独立整体，清洗和检修都较为方便。因此波纹板板壳式换热器有较好的安全性，发生的失效故障也相对较少。
4.提高板壳式换热器安全性能措施
从上述板壳式换热器各组件的失效分析可得，换热板芯失效造成的影响最大。要想提高板壳式换热器的安全性，需提高换热板芯的可靠性，以降低故障发生的概率。从技术的角度，优化设计理念，精益求精的加工制造；从人为因素角度，加强产品质量的监督和安全管理；从企业角度，加强安全监管和安全维护都是必不可少的，做到及时发现问题、解决问题、优化问题，排除一些安全隐患，提高人—机—环的安全性。
板壳式换热器最重要的换热元件是换热板板片，强化换热板片也是提高板壳式换热器的主要途径，换热薄板能够有效的提高传热效率，但是其他相关因素的制约，对于换热板片泄漏失效是产生安全隐患的重要原因，先采取相应的措施：
针对板片泄漏的措施：
（1）合理的设计导流区域或者导流装置，减少换热流体对于对板片或者是换热管束的冲击;
(2)合理优化设计波纹板的扁平流道的形状，以及相关的几何参数，如：波高，波纹周期，波纹角度，波纹形状等;
(3)提高焊接质量，对冲压材料的性能要求更高，对于焊接的检验要全面检验。对于腐蚀问题，在换热工质的进口和出口都设置过滤装置，提高水的质量，对于开式敞开循环系统，严格监控氧含量以及其他有腐蚀离子的浓度。此外，还可以增加电化学腐蚀用来补偿板片腐蚀。
（4）对于进出口气蚀问题，通过压力调节阀让压力以较小波动压力进去。
焊接失效措施
（1）对于板壳式换热器而言，要注意焊接的重要工序，制造中的焊接的重点是保证壳体与接管，壳体与法兰、换热板芯等焊接质量。在焊接过程中注意焊接顺序以及焊接夹具以及角度等，并且增加设焊缝检测仪对焊缝对有缺陷的焊缝加以补修。
（2）焊接尽量的采用激光焊接，保证良好的焊接质量。
法兰失效措施
（1）螺母采用高强度材料，机械施加预紧力。
（2）选取强度较高的材料以及适合工况的法兰，对于尺寸要求严格控制其圆度和平行度。
（3）材料耐高温高压材质较好的密封垫片。
壳体失效的措施：
（1）加工制造过程中严格的按照压力容器标准设计，并且出厂和投产之前都需要进行严格的压力实验和气密性实验。
（2）在服役使用过程中尽量的在设计要求范围内使用。
5结论
(1)本文主要是对板壳式换热器不同的组件事故类型进行分析，重点对板芯易发生的故障进行详细分析。根据实习企业板壳式换热器故障统计及经济损失数据，采用事故类型及影响性分析（FMEA）方法，编制出板壳式换热器事故类型及影响分析表。另外可得，板壳式换热器最具有危险性即严重度等级最高的安全隐患依次是壳体泄漏、板片焊缝失效、板片的腐蚀、板片冲刷、板片入口气蚀；虽有些故障严重度等级较低，但发生概率较大，需引起重视，最后针对板壳式换热器各组件发生的故障提出了相应的技术改进方案以及防范措施。本文的研究结果对设计和使用板壳式换热器均具有极强的指导意义和参考价值。
参考文献
[1]黄庆军,任俊超,苏是,等.中国换热器产业现状及发展趋势[J].石油和化工设备,2010,13(1):5-8
[2]T.Kuppan,钱颂文,廖景娱,等.换热器设计手册[M].中国石化出版社,2004
[3]蔡丽萍,郭国义,陈定岳,等.板壳式换热器的应用和进展[J].化工装备技术,2011,32(2):27-31
论文作者:李永贵
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2018年第18期
论文发表时间:2018/11/2
标签：换热器论文; 故障论文; 换热论文; 壳体论文; 流体论文; 气蚀论文; 发生论文; 《建筑学研究前沿》2018年第18期论文;