1泄漏原因
管殼式換熱器是石油化工企業廣泛使用的設備之一，設備製作質量的關鍵在於管接頭的製作質量。氯鹼裝置中燒鹼蒸發器加熱室、氯氣液化器、氯乙烯轉化器以及冷凝器等設備泄漏就會影響到單個生產裝置停車或降低生產負荷。氯鹼企業使用的換熱器雖然不像石化企業換熱器承受高溫高壓，但介質腐蝕性強，流動磨蝕嚴重，有些固定管板換熱器還有溫差應力，如果設計、製造、使用不合理，管接頭極易泄漏，導致換熱器失效。
燒鹼蒸發器加熱室是用來將NaOH質量分數為17%左右的燒鹼提濃到25%左右的管殼式換熱器，其中殼程用0.15MPa左右二次蒸汽進行加熱，管程含有氯根及氯酸根等雜質。加熱室管板與換熱管均採用0Cr18Ni10Ti，管板厚度為50mm，考慮到換熱管壁熱阻的影響，換熱管採用薄壁管（?57mm×2mm），正三角形排列，中心距72mm，276根。由於鹼液濃度及溫度的影響，加熱室的加熱管會受到氯化鈉的沖刷磨損、應力腐蝕、鹼脆、點蝕以及縫隙腐蝕。GBl5l—l999《管殼式換熱器》中規定，強度脹接適用於設計壓力≤4MPa、設計溫度≤300℃、無劇烈振動、無過大溫度變化及無應力腐蝕的場合[1]。不鏽鋼管的延展性好，脹管性能非常好，管板與換熱管連接方式採用了強度脹。該設備使用了4年左右，殼程冷凝水含鹼量超過正常值，檢查后發現下管板連接處的換熱管管壁非常薄，不到0.6mm，管板與換熱管接頭靠殼程側多根換熱管破損，有4根換熱管與管板鬆脫泄漏，殼程內部換熱管壁厚薄非常不均勻，上管板則沒有此現象。抽出1根換熱管檢查，從下至上厚度為0.5~1.5mm。分析有如下原因。
（1）下管板連接處的換熱管管壁非常薄的原因是加熱室下接循環泵，鹼液中含有的結晶鹽對管板處換熱管沖刷磨損，在加熱室下面，沖刷磨損最大，管壁減薄嚴重。
（2）脹接中必須保持合適的脹緊度，欠脹不能保證脹口的密封性，過脹則因管壁減薄過大而導致管子斷裂和管板變形。在過脹的情況下，換熱管與管板脹接時在脹接力的作用下產生塑性變形，換熱管變薄，對開槽脹接的換熱管變形減薄量更大。而該設備採用的是薄壁換熱管，在沖刷磨損的作用下容易破損[2]。
（3）強度脹接時，管板與換熱管應有適當的硬度差，即管板比換熱管的硬度應稍高30HB左右，否則管子回彈大於管板，造成脹接不緊。0Cr18Ni10Ti不鏽鋼管加工硬化傾向較大，在脹接和彎曲時，材料中的奧氏體組織會產生馬氏體相變，使變形部位的屈服強度大幅上升。?57不鏽鋼換熱管對應的管板管孔直徑為?57.55mm，允許最大偏差為0.25mm，這樣管子外徑與管板管孔之間的最大間隙為0.8mm，要達到脹緊目的，管子必須有較大的變形量，然而0Cr18Ni10Ti管子在脹接變形量增加的同時，其硬度也隨之增加，從而使換熱管的硬度更加大於管板硬度，使得脹接更不緊。有時，為了減少加工硬化，可採用較緊的管子外徑和管孔之間的配合。
（4）管接頭應力腐蝕。脹口質量主要取決於管端上徑向殘餘壓縮應力，其值同管子與管板的材料、尺寸、是否開槽、脹管率、管子與管板的徑向間隙及表面粗糙度等因素有關。換熱管的脹管過程大致分為3個步驟，第一步是換熱管插入管板的過程，換熱管與管板留有一定的間隙，間隙按照GB151中I級管束要求；第二步是用脹管器使換熱管與管板孔緊密貼合在一起，此過程換熱管逐漸從彈性變形向塑性變形過渡，管板孔處於彈性變形階段；第三步是完成換熱管脹接，換熱管與管板孔都產生永久變形，管板孔產生永久變形量，換熱管內徑增大，換熱管壁厚有一定減薄量，如圖1所示。對於鋼管和鋼板而言，強度脹的減薄率為12%~18%；密封脹為7%~10%；貼脹為3%~7%。
為了得到良好、穩定的脹口性能，除了嚴格控制管板的加工精度，保證管板材料與管子材料適當的硬度差，還需正確選用脹管器、脹管動力和控制手段，保證合適的脹度及採取合理的脹接順序等。由於脹接管端處在脹接時產生塑性變形，存在著殘餘應力，隨著溫度的上升，殘餘應力逐漸消失，這樣使管端處密封性和結合力降低。另外，強度脹附加應力大，而機械強度脹的附加應力更大，在管頭部位機械脹接的台階處容易產生應力腐蝕樹狀裂紋而失效。
（5）介質中含有氯離子，氯離子對奧氏體不鏽鋼的應力腐蝕破壞性極大。奧氏體不鏽鋼應力腐蝕受溫度、介質、不鏽鋼化學成分等影響，在冷變形作用下，這些應力的產生使金屬內部穩定的組織受到破壞，晶粒在應力方向的作用下錯位而形成滑移，會形成腐蝕。
（6）脹接工藝不合理[3]。該換熱器採用機械脹接，換熱管與管板的連接在整個長度上的應力分佈不均勻。脹接前應先檢查管孔與管端的結合表面是否有油漬和異物存在，管子脹在管板上后，由於管子的伸長，在管子連接處會產生附加應力，如脹接順序不合理，將會導致接頭上過大的附加應力和管板過大的變形，從而降低脹接接頭的質量，在脹第二塊管板時,一般認為合理的順序是從管板最外層管子開始，逐步脹到中心，否則中心部位管子拉應力增加很多，甚至被破壞。
上述原因中（1）、（2）兩點為主要原因。另外，還存在使用上的原因，如果蒸發器結鹽嚴重，循環泵操作不當，殼程中汽水衝擊換熱管就可能誘發管束振動，導致管接頭突變處發生泄漏或疲勞破損，如圖2所示。
2返修方案
確定加熱室泄漏后，考慮利用管板和殼體更換換熱管，但不鏽鋼冷加工的加工性能較差，主要體現在斷屑難，刀具易磨損，獲得較高表面質量的難度大。用鑽床試打了1根換熱管，但換熱管鑽削時塑性大、韌性高，不易斷屑，切削過程中易堵塞，影響加工表面的光潔，加工時間長。由於當初加工時採用開槽強度脹，更換換熱管不太妥當，重新加工1台也不妥當。在下管板管接頭處所有接管加1段套管，用緊脹的辦法使套管與換熱管緊配合。套管的長度超過破損處30mm左右，並在管頭外徑車削10絲，如圖2所示。
在下管板所有換熱管加完套管后，對4根換熱管與管板的鬆脫泄漏採用氬弧焊的方法進行了補漏。返修結束后，對殼程以壓力0.2MPa進行了水壓試驗，發現原來管接頭內部破損的地方都與套管緊密貼合，不再泄漏。目前已經使用了將近8個月，一切正常。
3改進位造方法
在設備的管接頭聯接方法上，因為管板厚度為50mm，可以考慮採用強度脹加貼脹的方法，結構如圖3所示。
蒸發器加熱室使用壽命一般在10年左右，該台設備只使用了4年，固然絕大部分原因是生產工藝所致，但在該設備設計、製造方面也存在問題。如設計上對開槽就有要求，GB151-1999中規定強度脹要求換熱管伸出長度不小於3mm，使管板與換熱管貼脹處不受沖刷磨損，同時要求脹接長度不準超出管板背面，並應離開3mm，以避免換熱管在脹接時產生塑性變形而產生破壞[4]，但在製造時就不一定能保證。在對換熱管進行強度脹時，對脹度也有要求。強度脹要有合適的脹度，要控制管孔與換熱管的間隙。間隙是影響管接頭脹接質量的最重要因素，間隙越大越容易過脹。在GB151中，I級管束是較高級、高級冷拔鋼管，不鏽鋼管都應選用高精度、較高精度冷拔鋼管。
