热交换器泄漏的原因分析及返修措施

前言

热交换器作为工业生产、能源转化等领域的关键设备，其运行可靠性直接关系到系统能效、生产安全及环境风险。泄漏问题不仅导致介质损失、能耗增加，更可能引发火灾、爆炸等严重事故，因此对泄漏原因的精准诊断与高效返修至关重要。

1 热交换器泄漏的常见原因

1.1 设计缺陷

结构不合理：换热管间距过小、管板厚度不足或膨胀节设计缺陷，导致应力集中引发裂纹；

选材不当：未考虑介质腐蚀性（如酸性水对碳钢的腐蚀）或高温高压环境下的材料性能（如蠕变断裂），导致管壁腐蚀或破裂。

1.2 制造工艺问题

焊接缺陷：焊缝未熔透、夹渣、气孔或裂纹，在长期运行中因应力腐蚀开裂

管板与换热管胀接/焊接不良：胀接压力不足或焊接工艺控制不当，导致管口密封失效；

制造过程中异物残留：管内残留金属屑、焊渣等杂质，在运行中冲刷管壁引发泄漏。

1.3 运行环境与操作因素

介质腐蚀：酸碱介质、含氯离子水或高温氧化性气体对管壁的化学腐蚀；

热应力与振动：频繁启停或温度波动导致热应力集中，换热管疲劳断裂；

流体冲刷：高速流体（如蒸汽）对管壁的冲蚀，尤其是弯头、管口等部位。

1.4 维护管理不足

未定期清洗：管内结垢导致局部过热，引发管壁减薄或破裂；

未及时更换：长期运行后未对老化设备进行检测，导致泄漏隐患积累；

监测手段缺失：缺乏压力、温度、流量等参数的实时监控，无法及时发现泄漏。

2 热交换器泄漏的返修策略

2.1 临时应急处理：快速控制泄漏

管内封堵：对泄漏管束采用机械塞（金属锥形塞、膨胀塞）或耐高温橡胶塞临时封堵，适用于单根或少量管子泄漏（封堵数量不超过总根数的 10% ），避免系统停机。

壳体/法兰修补：壳体表面裂纹可采用焊接补丁或金属胶粘剂（如环氧树脂 + 玻璃纤维布）临时密封；法兰密封面泄漏可更换密封垫片（如金属缠绕垫、石墨复合垫）并均匀复紧螺栓。

2.2 针对性返修技术：按泄漏部位分类处理

2.2.1 换热管泄漏返修

胀接修复：对胀接失效的管口，使用液压胀管器重新胀接，确保管壁与管板紧密贴合，胀接压力根据管材（铜管、不锈钢管）调整（如铜管胀接压力0.8-1.2MPa）。

焊接修复：

管口裂纹：打磨去除缺陷后，采用氩弧焊补焊，焊后进行渗透检测（PT）确保无气孔、裂纹；

管板与管束焊接：对脱焊部位重新焊接，控制焊接电流（不锈钢管≤100A）避免烧穿管壁。

换管处理：

整根更换：对严重腐蚀（壁厚减薄 >30% ）或断裂的管子，切除后更换新管，新管与管板采用“胀接 + 焊接”复合工艺增强密封性；

抽管返修：空调热交换器等铜管设备可采用专用抽管工具（如气动拔管器）取出旧管，更换后通过胀管器（如电机驱动丝杠胀管装置）实现铜管与翅片紧密结合。

2.2.2 管板与壳体泄漏返修

管板修复：

腐蚀/冲刷：对管板表面腐蚀区域进行堆焊（不锈钢或镍基合金），磨平后重新钻孔；

裂纹处理：采用“打磨-预热-补焊-消应力”工艺，焊后进行超声波检测（UT）确保内部无缺陷。

壳体修复：

壳体裂纹：打磨坡口后分层焊接，厚壁壳体需进行焊后热处理（如 200-300^∘C 保温2 小时）消除应力；

腐蚀穿孔：采用“贴板焊接”（覆盖耐腐蚀合金板）或局部更换壳体段，确保

强度与密封性。

2.2.3 密封件与垫片失效返修

更换密封件：板式换热器的垫片（如EPDM、丁腈橡胶）老化或破损时，整体更换垫片并涂抹密封胶（如硅酮密封胶），按对角线顺序均匀紧固夹板螺栓；

法兰面修复：法兰密封面划伤或腐蚀时，采用机械加工（车削）修复密封面平整度（粗糙度 Ra≤1.6μm) ），必要时更换法兰。

2.3 强化修复效果：防腐与性能恢复

防腐处理：修复后对金属表面进行喷砂除锈 ⋅Sa2.5 级），涂覆防腐涂层（如聚四氟乙烯、陶瓷涂层），或采用阴极保护（牺牲阳极法）延缓腐蚀。

性能验证：返修后进行水压试验（试验压力为设计压力的 1.5 倍，保压 30分钟无压降），或氦质谱检漏（泄漏率≤10⁹ Pa⋅m³/s^⋅ ），确保修复部位无泄漏。

3 预防再泄漏措施

3.1 设计与制造阶段：源头控制风险

3.1.1 优化结构设计

材料适配：根据介质特性（腐蚀性、温度、压力）选择耐蚀材料，如酸性介质采用 316L 不锈钢、钛合金，高温环境选用镍基合金；管板与换热管采用“胀接+焊接”复合连接，提升密封性。

应力控制：设置膨胀节吸收热膨胀差异，避免壳体与管束因温差产生过大应力；优化折流板间距（如间距≤5 倍管径），减少管束振动磨损。

3.1.2 严格制造工艺

焊接质量管控：实施焊接工艺评定（PQR），采用氩弧焊打底 + 电弧焊填充，焊后进行 100% 射线检测（RT）或超声检测（UT），消除未熔透、裂纹等缺陷。

清洁度与检测：制造过程中清除管内焊渣、铁屑，出厂前进行水压试验（试验压力为设计压力 1.5 倍，保压 30 分钟无泄漏）及氦质谱检漏（泄漏率≤10⁹ Pa ⋅m³/s ）。

3.2 运行阶段：规范操作与参数监控

3.2.1 优化运行工况

平稳操作：避免频繁启停（升降温速率 ≤50^∘C/h⟩ ），控制介质流速（管程流速≤3m/s ，壳程 ≤1.5m/s, ），防止湍流冲刷管壁；定期监测进出口压力、温度，偏离设计值时及时调整。

介质预处理：去除介质中腐蚀性杂质（如氯离子 <50mg/L ），酸性介质添加缓蚀剂（如胺类、磷酸盐），防止垢下腐蚀；易结垢介质（如冷却水）需软化处理（硬度 ≤0.03mmol/L) ）。

3.2.2 振动与腐蚀防控

防振措施：在管束加装防振条或支撑块，避免共振（激振频率避开管束固有频率 :±10% ）；对高速流体区域（如入口管嘴）设置导流板，减少局部冲刷。

腐蚀抑制：采用阴极保护（牺牲阳极或外加电流）保护碳钢管束；板式换热器垫片选用耐温耐蚀材质（如氟橡胶、金属包覆垫），并定期检查老化情况。

3.3 维护与监测阶段：主动预警与定期检修

3.3.1 定期检测与维护

无损检测：每年进行涡流检测（ET）或超声测厚（UT），监测换热管壁厚（减薄量 >30% 时更换）；对管板、法兰密封面进行渗透检测（PT），排查裂纹隐患。

清洗除垢：根据结垢情况（如水垢、油垢）采用化学清洗（柠檬酸、EDTA溶液）或高压水冲洗（压力 10-20MPa），确保换热效率（换热系数下降 15% ）。

3.3.2 智能化监测与预警

在线监测：安装压力传感器、温度变送器实时监控运行参数，异常时自动报警；采用声发射检测（AE）或红外热成像技术，早期识别微小泄漏。

数据追溯：建立设备档案，记录制造参数、检修历史、检测数据，通过大数据分析预测寿命（如基于腐蚀速率推算剩余使用年限）。

结束语

热交换器泄漏返修需遵循“应急控制-精准修复-性能验证-长效防护”流程，结合机械封堵、焊接/胀接修复、换件更换等技术，针对性解决不同部位泄漏问题。同时，强化修复后防腐处理与运行维护，可显著延长设备寿命，降低再泄漏风险。

参考文献：

[1]张鹏,谢培军,张淑雁,等.一种单管程浮头式热交换器内填料函密封结构的设计[J].化工机械,2018,45(3):306-308.

[2]王为亮,石平非.一种单管程浮头式换热器的设计[J].化工设备与管道,2012,49(2):28-30.