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板式換熱器常見故障及處理
李華峰 陳 選
(山西關鋁股份有限公司,山西運城 044001)
摘 要：板式換熱器被廣泛的應用于各行業領域,但是,由于板片間流通截面狹窄,水質不好形成水垢和污物沉積都容易造成板式換熱器堵塞,密封墊片耐溫性能差時,容易滲漏和影響使用壽命,形成水垢的主要原因是由于循環水硬度高,要保證板式換熱器正常使用,必須保證軟化水設備完好,循環水硬度符合標準。
關鍵詞：板式換熱器;結垢;清洗;運行;維護
中圖分類號：TF066.2+1 文獻標識碼：B
文章編號：1671-8909(2007)09-0017-05
關鋁集團電解分廠目前有3個熱力站,內部換熱設備均為汽-水板式換熱器。板式換熱器具有結構緊湊、占地面積小、傳熱效率高、熱阻力損失小、操作簡單、安裝使用維護方便、投資成本低、應用范圍廣等優點,被廣泛的應用于各行業領域。它主要由傳熱板片、密封膠墊、固定蓋板、活動蓋板、定位螺栓及壓緊螺栓等組成,密封膠墊把流體密封在換熱器內,且使加熱與被加熱介質分開,兩種熱介質在相鄰的流道內以湍流狀態互相逆流,進行充分的熱交換。但是,由于板片間流通截面狹窄,水質不好形成水垢和污物沉積都容易造成板式換熱器堵塞,密封墊片耐溫性能差時,容易滲漏和影響使用壽命。
1 板式換熱器的運行情況
如表1所示, 1號汽-水板式換熱器安裝在帶箔鍋爐房內,型號為ZZR-6,換熱面積6 m2,負荷帶箔分廠的采暖, 1997年投運至今,運行狀況良好,至今尚未進行過清垢,傳熱板片、密封膠墊未進行過更換,而且未出現過滲漏現象。
2號汽-水板式換熱器安裝在生活區換熱站,型號為ZTR-120,換熱面積120 m2,負荷關鋁生活區的采暖, 1999年投運以來,運行狀況良好,至今清垢2次,平均清垢周期為3年,傳熱板片、密封膠墊未進行過更換,在每次清垢后,出現滲漏,主要原因是夾緊螺栓沒有夾緊,再次夾緊后,運行正常。
3號汽-水板式換熱器安裝在7萬t/a廠區換熱站,型號為BR0. 35-12,換熱面積12 m2,負荷電解分廠7萬t/a廠區及3. 3萬t/a廠前區的采暖,2001年投運至2005年,清垢2次,平均清垢周期為3年,傳熱板片、密封膠墊未進行過更換, 2006年運行中,清垢次數達4次,其中,最短清垢周期不足1月,因經常更換,至使密封膠墊及部分傳熱板片發生損壞,漏水嚴重,還出現汽-水介質混合現象,遂對密封膠墊及部分傳熱板片進行更換,影響正常運行。
2·板式換熱器運行中常見故障及原因分析
2.1 板式換熱器運行中常見故障
從板式換熱器長期的運行中,我們總結出板式換熱器在運行中常見的故障,見表2。
2.2 原因分析
從表1及表2中,可以看出,板式換熱器運行中主要故障是因結垢導致熱工性能下降,需要采取機械或化學方法清理水垢,影響換熱板片及密封膠墊的使用壽命。
2.2.1 水垢產生的原因
清理下來的水垢有的厚度達5 mm,我們對其做了垢樣檢測,主要成分是碳酸鹽,同時還有少量硫酸鹽和氧化鐵垢及泥垢。
水質硬度與板式換熱器結垢關系比較如表3及圖1, 1號板式換熱器安裝在帶箔鍋爐房內,其用水與蒸汽鍋爐用水相同,符合蒸汽鍋爐用水標準,水質硬度≤0. 03 mmol/L,所以,自從投運9年以來,板式換熱器未結垢。2號板式換熱器安裝在生活區換熱站內,其用水符合熱水鍋爐用水標準,水質硬度≤0. 6 mmol/L,自從投運7年以來,板式換熱器結垢2次,結垢頻率為0. 29次/a。3號板式換熱器安裝在7萬t/a廠區換熱站內, 2001-2005年,其用水符合熱水鍋爐用水標準,水質硬度≤0. 6 mmol/L,自從投運5年以來,板式換熱器結垢2次,結垢頻率為0. 49次/a,但是,在2006年運行中,因為軟化器發生故障,水質硬度>4. 1 mmol/L,在1年內結垢4次,結垢頻率達4次/a。
可見,板式換熱器中水垢的產生主要是由于水的硬度而引起的,硬度越高,板式換熱器結垢頻率越高。少量的氧化鐵垢及泥垢是由于系統管網鐵的氧化及淤泥而導致。
2.2.2 水垢對板式換熱器的危害
1)浪費蒸汽
水垢的導熱性很差,其導熱系數比金屬小幾十倍甚至近百倍。結垢后會使受熱面傳熱情況惡化,降低傳熱效率,浪費蒸汽。
2)影響板式換熱器安全運行
板式換熱器正常運行時,蒸汽加熱后,傳熱板片很快將熱量傳遞給水,兩者溫差約為35℃左右。有水垢時,金屬的熱量由于受到水垢的阻擋,很難傳遞給水,因而金屬溫度急劇升高,強度顯著下降。從而導致換熱板片及密封膠墊過熱變形,甚至破裂,影響板式換熱器安全運行。
3)縮短板式換熱器壽命
水垢附在傳熱板片上,很難清除。為了除垢需要經常停機清洗,因而增加檢修費用,不僅耗費人力、物力,而且由于經常采用機械方法與化學方法除垢,會使傳熱板片及密封膠墊受到損傷,而且,傳熱板片也會隨著機械損傷發生局部腐蝕,會縮短鍋爐板式換熱器的使用年限。
3 水垢的清理
板式換熱器結垢的清洗方式有化學清洗和機械清洗兩種。
3.1 化學清洗
化學清洗可以不拆板式換熱器,在換熱器上連接一個清洗系統,使清洗液在每側流道里循環,清洗液應對板片材料、墊片毫無損傷。
3.1.1 清洗劑的選擇
目前多采用的是酸洗,清洗劑的選擇包括有機酸和無機酸。有機酸主要有:草酸、甲酸等。無機酸主要有:鹽酸、硝酸等。根據換熱器結垢和工藝、材質和水垢成分分析得出:
(1)換熱器流通面積小,內部結構復雜,清洗液若產生沉淀不易排放。
(2)換熱器材質為鎳鈦合金,使用鹽酸為清洗液容易對板片產生強腐蝕,縮短換熱器使用壽命。
通過反復試驗發現,選擇甲酸作為清洗液效果最佳。在甲酸清洗液中加入緩沖劑和表面活性劑,清洗效果更好,并可降低清洗液對板片的腐蝕。通過對水垢樣本的化學試驗研究表明,甲酸能夠有效地清除水垢。通過酸液浸泡試驗,發現甲酸能有效地清除附在板片上的水垢,同時它對換熱器板片的腐蝕作用也很小。
3.1.2 清除水垢的基本原理
(1)溶解作用:酸溶液容易與鈣、鎂、碳酸鹽水垢發生反應,生成易溶化合物,使水垢溶解。
(2)剝離作用:酸溶液能溶解金屬表面的氧化物,破壞與水垢的結合。從而使附著在金屬氧化物表面的水垢剝離,并脫落下來。
(3)氣掀作用:酸溶液與鈣、鎂、碳酸鹽水垢發生反應后,產生大量的二氧化碳。二氧化碳氣體在溢出過程中,對于難溶或溶解較慢的水垢層,具有一定的掀動力,使水垢從換熱器受熱表面脫落下來。
(4)疏松作用:對于含有硅酸鹽和硫酸鹽的混合水垢,由于鈣、鎂、碳酸鹽和鐵的氧化物在酸溶液中溶解,殘留的水垢會變得疏松,很容易被流動的酸溶液沖刷下來。
3.1.3 清洗水垢的工藝要求
(1)酸洗溫度:提升酸洗溫度有利于提高除垢效果。如果溫度過高就會加劇酸洗液對換熱器板片的腐蝕,通過反復試驗發現,酸洗溫度控制在60℃最為適宜。
(2)酸洗液濃度:根據反復試驗得出,酸洗液應按甲酸81. 0%、水17. 0%、緩沖劑1. 2%、表面活性劑0. 8%配制,清洗效果極佳。
(3)酸洗方法及時間:酸洗方法應以靜態浸泡和動態循環相結合的方法進行。酸洗時間為先靜態浸泡2 h,然后動態循環3~4 h。在酸洗過程中應經常取樣化驗酸洗濃度,當相鄰兩次化驗濃度差值低于0. 2%時,即可認為酸洗反應結束。
(4)鈍化處理:酸洗結束后,板式換熱器表面的水垢和金屬氧化物絕大部分被溶解脫落,暴露出嶄新的金屬,極易腐蝕,因此在酸洗后,對換熱器板片進行鈍化處理。
3.1.4 清洗水垢的具體步驟
(1)沖冼:酸洗前,先對換熱器進行開式沖洗,使換熱器內部沒有泥、垢等雜質,這樣既能提高酸洗的效果,也可降低酸洗的耗酸量。
(2)將清洗液倒入清洗設備,然后再將清洗液注入換熱器中。
(3)酸洗:將注滿酸溶液的換熱器靜態浸泡2 h。然后連續動態循環3~4 h。其間每隔0. 5 h進行正反交替清洗。酸洗結束后,若酸液pH值大于2,酸液可重復使用,否則,應將酸洗液稀釋中和后排掉。
(4)堿洗:酸洗結束后,用NaOH、NaPO4、軟化水按一定的比例配制好,利用動態循環的方式對換熱器進行堿洗,達到酸堿中和,使換熱器板片不再腐蝕。
(5)水洗:堿洗結束后,用清潔的軟化水反復對換熱器進行沖洗0. 5 h,將換熱器內的殘渣徹底沖洗干凈。
(6)記錄:清洗過程中,應嚴格記錄各步驟的時間,以檢查清洗效果。清洗結束后,要對換熱器進行打壓試驗,合格后方可使用。
3.2 機械清洗
3.2.1 機械清洗方法
打開板式換熱器,卸下夾緊螺栓,將活動壓緊板平移向支柱,逐次拆下板片,用高壓水槍沖刷,對于難以沖刷掉的污垢,則可用軟纖維刷子或鬃毛刷來洗刷。
3.2.2 機械清洗過程中的注意事項
(1)板式換熱器拆卸前應測量板束的壓緊長度尺寸,做好記錄(重裝時應按此尺寸)。
(2)密封墊片若粘在兩板片間的溝槽內,此時需用螺絲刀小心地將其分開,螺絲刀應先從易剝開的部位插入,然后沿其周邊進行分離,切不可損壞換熱器板片和密封墊片。
(3)拆卸鈦材的板片時,嚴禁與明火接觸,以防氧化。
(4)在拆除及清理過程中,要輕拿輕放,不能用力撞擊或振動,以免損壞換熱板片及密封膠墊。
(5)清理時,決不能使用金屬刷刷洗,尤其是不銹鋼板片,以免造成板片表面劃傷,加速板片的腐蝕,如果板片上有污點或鐵銹時,可用去污粉清除。
(6)清洗用的清水,必須不含鹽、硫等成分。
3.3 板式換熱器組件重裝的注意事項
(1)重裝組件前,檢查密封墊片是否有老化、變質、裂紋等缺陷,檢查換熱板片是否有局部變形,超過允許值的,應進行修整或更換,并將合格的換熱板片、密封墊片、封頭(頭蓋)、夾緊螺栓及螺母等零件擦洗干凈。
(2)密封墊片與換熱板片表面(溝槽內)嚴禁積存固體顆粒,如沙子、鐵渣等,密封墊片與溝槽粘接前,必須用丙酮或其他同類有機溶劑等溶化溝槽內殘膠,再用細紗布擦凈。
(3)用與密封墊片溝槽寬度相同的鬃毛刷子,將合成樹脂粘接劑涂在板片溝槽內,然后壓入密封墊片,用平鋼板壓平,置放48 h即可。
(4)用丙酮等有機溶劑,將被擠在溝槽外面的殘膠料溶解,并清除干凈。
(5)更換新密封墊片時,要仔細檢查新密封墊片的四個角孔位置,必須與舊密封墊片相同。更換新密封墊片時,需要用丙酮或其他酮類有機溶劑,將密封墊片溝槽擦凈。再用毛刷將合成樹脂粘接劑均勻涂在溝槽里。
(6)如果板式換熱器的一個板片損壞而無備件時,可將此板片和相鄰的板片同時取下,再擰緊夾緊螺栓。
(7)夾緊螺栓應均勻、對稱、交叉擰緊。夾緊螺栓要擰緊至板束長度達計算值尺寸時為止。
(8)為防止密封墊片與板片粘在一起,可在密封墊片上涂一層混合物?；旌衔锼玫挠?、酒精、滑石粉的配比,按重量計為1∶1∶2。
3.4 水垢清理前后的板式換熱器性能對比
表4是3號板式換熱器2006年12月3日清理前后的性能對比。
4 板式換熱器的運行與維護
(1)在運行前應檢查板式換熱器各夾緊螺栓是否松動,如松動應夾緊;對管網系統進行沖洗、吹凈。
(2)啟動前應打開換熱器的所有出口閥門,關閉進口閥門,循環泵啟動后,再緩慢打開換熱器的進口閥門,逐步提高流量及壓力,避免瞬時沖擊而產生局部高壓損壞設備。
(3)開機時,應先開啟循環水系統,再打開蒸汽閥;關機時,應先關閉蒸汽閥,待水溫降到60℃以下時,再關閉循環水泵,以免造成換熱器高溫過熱,過早老化。
(4)開車運行后,應通過管路系統中的放氣閥排出設備中的空氣,防止空氣停留在設備中,降低傳熱效果。
(5)為防止結垢,必須保證軟化設備完好,循環水的硬度≤0. 6 mmol/L,在整個系統中,除污器和過濾器應當進行不定期的清理外,還應當保持管網中的清潔,以防止換熱器堵塞。
5 結束語
板式換熱器在運行中主要故障是結垢引起堵塞,造成熱工性能下降,而結垢的主要原因是循環水的硬度高,循環水硬度要符合熱水鍋爐水質標準,即≤0. 6 mmol/L時,才能保證不結垢。其它故障主要是由于結垢后進行機械清理,對板式換熱器造成了損壞,縮短了其使用壽命。因此,要保證板式換熱器正常使用,必須保證循環水硬度符合標準,必須保證軟化水設備完好。否則,將形成“結垢—清理—再結垢—再清理”的惡劣狀態,不僅耗費人力、物力,增加檢修費用,而且會縮短板式換熱器的使用壽命。
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