利用TRIZ分析列管换热器泄漏原因与处理措施

李英利，陈 群，颜 康

(常州工程职业技术学院，江苏 常州 213164)

1 引言

换热器是化工、石油、动力等许多工业部门的通用设备。目前应用最广泛的列管换热器也称管壳式换热器与其它几种间壁换热器相比，具有制造容易、结构简单、设备坚固的特点，可用金属材料或非金属材料来制造。在石油石化单位中的温度高、压强大和尺寸大的装置中大多采用管壳式换热器。列管换热器主要由壳体和折流板组成的壳程以及由管束、管板和封头等部件组成的管程两大部分构成。列管换热器泄漏是很多企业生产过程中经常出现的问题之一，主要是管子的泄漏和密封垫子损坏造成的泄漏引起。当列管换热器发生泄漏时，一般分为内漏和外漏两种情况，不仅影响生产，还可能造成设备损害和工作人员的伤害事故。因此我们对导致管壳式换热器泄漏的原因要加以仔细的分析。发生内漏时，判断较难一些，可以根据介质的流量、压力、温度等参数显示的异常，辅以设备的振动和异常声音综合加以判断。如果发生外漏，检查相对容易一些，可以用肥皂水等试验是否发生泄漏。

而应用TRIZ理论中矛盾矩阵的知识来解决实际工程问题时，包括上面提到的列管换热器的泄漏问题，是非常有效的，一般采用以下16个步骤来进行。

(1)技术系统的命名。本技术系统为冷热流体的热量交换系统。

(2)明确技术系统的主要功能。该热量交换系统的主要功能是将温度高的热流体的热量传递给温度低的冷流体。

(3)分解技术系统。可将换热系统的设备分解为壳程和管程两大部分称之为子系统。壳程内还可以细分为横向安装的折流挡板，壳体外侧的壳程进、出口接管，有的壳程内还布置有纵向挡板，构成多壳程。安装纵向挡板，是为了使流体多次通过壳体空间，称为多壳程。有的管程内还布置有隔板，构成多管程。为提高管内流体速度，可在两端管箱内设置隔板，将全部管子均分成若干组。这样流体每次只通过部分管子，因而在管束中往返多次，这称为多管程。

(4)描述技术系统，关键子系统，零部件之间的相互依赖关系和作用。折流挡板是为了提高管外流体(也是走壳程的流体)的传热分系数。挡板可提高壳程流体速度，迫使流体按规定路程多次迂回曲折地横向通过管束，增强流体的湍动程度。管箱内设置隔板，则可以提高管内流体的传热分系数。管程分为管板、管束，多根换热管构成的管束在管板上可按正三角形、转角正三角形、正方形、转角正方形、同心圆排列。其中正三角形排列时，优点在于较紧凑，布置的管子数较其它方式为多，并且易于加工，管外流体湍动程度高，传热分系数大，缺点是不好清洁污垢，流体流动的阻力也较大；正方形排列则管外清洗方便，适用于易结垢的流体，但布置的管子数目较正三角形为少。

(5)定位问题所在的系统和子系统，对问题进行准确的描述。换热器发生泄漏时，主要在管程内漏或者壳程外漏。首先应学会判断是否发生泄漏。可观察换热器前后介质的成分浓度的变化和换热前后温度的变化是否在正常范围，并和以往的分析组成、温度相对比，可以初步判定是否发生泄漏。例如异丁烷脱氢换热器，原料进料的异丁烷含量高，反应后异丁烷基本转化为异丁烯，由于原料压力大于反应系统压力，所以如果换热器泄漏可能表现为反应后产物异丁烯含量明显下降，换热温差变小，加热炉燃料量下降等。而对于循环水水冷器一般通过水与介质压差判断泄漏方向，如果介质压力变高，要对循环水排水或水池进行观察并及时检测水质；如果循环水压力变高，则需要检查后续系统或产物是否带水等。再如，如硫磺冷凝冷却器管束泄露，除氧水进入液硫线，会导致硫磺凝固、液硫线堵塞，明显是管子泄漏所致。

(6)定系统应被改善的特性。主要为密封性能要加强，如选择材质好的密封垫；焊缝部分焊接质量高。能够使管程和壳程做到完全隔开，不使冷热流体相混合，同时强化二者之间的传热，使冷热流体换热后的温度达到要求。

(7)定系统被恶化的特性。当温度被改善后，装置的可靠性是被恶化的特性。

(8)将(6)和(7)两步骤确定的参数，用通用工程参数来描述。温度是被改善的参数，装置的可靠性是被恶化的参数。

(9)描述工程参数表示的矛盾。冷热流体强化传热使温度被改善时，换热装置可靠性变差。

(10)反向描述该技术矛盾。如果改善换热装置可靠性，则冷热流体强化传热使温度被恶化，由此可知这是一对技术矛盾。

(11)查阿奇舒勒矛盾矩阵表，确定发明原理。从矩阵表查找17和27对应的方格，得到推荐的发明原理序号共4个，分别是：19，35，3，10。

(12)由序号查找发明原理汇总表，得到发明原理名称。得到这4条发明原理依次是：19-周期性动作；35-物理/化学状态变化；3-局部质量； 10-预先作用。

(13)按照发明原理的名称，查找发明原理的序号。发明原理序号共4个，分别是：19，35，3，10。

(14)逐个推敲每个原理在具体问题上如何应用和实现。3较好，19，35，10也能提供对解决问题有帮助的积极想法。

(15)若发明原理均不适合，要再次定义工程参数和矛盾，重复应用和查找矛盾矩阵。实际本系统不需要再次重复。

(16)最后得到理想的解决方案，进入设计阶段。最后得到原理3为最佳解决原理。

当然这是细致的划分，实际应用时可以简化为四个主要步骤，而将16个小步骤全部包含其中。下面就采用简化的四个步骤进行分析。

2 利用TRIZ理论探讨列管式换热器泄漏原因分析及处理措施

采用以下四个步骤[1]：

2.1 确定工程参数

这里列管换热器的管程和壳程就是我们要研究的技术系统。管程泄漏大多情况发生在换热管泄漏上，要分为管身泄漏和管口泄漏。可以采用壳程水压试验或者壳程氨渗漏试验来判断，当介质渗漏不是从管头而是从管内，那基本可以判断是换热管泄漏了。发现泄漏了如何查找漏点？首先可以考虑在线查找，从低压侧采样，看看有没有高压侧的组份；二是切出看效果；三还是切出后在装置现场解体打开封头，并在管程加水试压确定漏点。管子泄漏数不多时，如果是固定管板式，可利用立式钻床将管头焊缝清除，然后取出泄漏的换热管，重新换管，如果是U型管，则只能堵漏，用加工成圆锥形的堵头将一根管子两头堵死，具体是在两头各用榔头砸入一个圆锥型的塞子，再周边焊死。总之列管式换热器在操作时，往往在实施强化传热措施比如增大流体的流量，增加管程数或者壳程数时，却却造成了换热器的内外泄漏。

由以上的分析我们不但发现，现存的主要问题是：为了更好的传热，冷热流体温差较大会使传热推动力增大，利于强化传热，热流体的温度尽快下降和冷流体的温度从速升高是我们所希望的，这是我们想要改善的特性。用通用工程参数中"17温度"表示，即改善的参数。但是冷热流体的温度差异使会使壳体程和管程产生了较大的热应力，特别是温差超过50℃以上时，其破坏力巨大，能使管子从管板上拉断，甚至造成整台换热器的毁坏。这是被恶化的特性。用通用工程参数表示为"27可靠性"，即被恶化的参数。

2.2 查找阿奇舒勒矛盾矩阵

想要改善的参数：17温度。被恶化的参数：27可靠性。从阿奇舒勒矛盾矩阵表中查找纵向17和横向27交叉对应的格子，得到4个推荐的发明原理序号，分别是：3，10，19，35，得到这4条发明原理依次是：3——局部质量； 10——预先作用；19——周期性动作；35——物理/化学状态变化。

2.3 发明原理的分析

3-局部质量：使发生问题的局部构件质量得到较大提升。可能的设计是，在管束的制造过程中，对管端口和管板的局部结合处要进行严格的质量控制，以保证可靠性。可以选用焊接法、胀接法、先焊后胀焊胀结合的方法。其中胀接对管板变形等影响小,但制造工艺复杂,承受压力波动、温度变化差,在常见管壳式换热器应用已逐渐减少。胀接加焊接结构虽然克服胀接强度不够和焊接存在应力腐蚀、破裂等缺点,但制造工艺更加复杂,且在制造过程中胀接和焊接过程会相互影响,难控制制作质量,成本高,仅用于特殊使用要求场合。而焊接因管板加工要求低,制造工艺简便,有较好紧密性,应用最为普遍。

泄漏发生以后的处理措施，也是改善局部质量的措施具体分析如下。在发现换热器管子有泄漏时要根据管子的损坏数量的多少采取下一步的措施。一般管子泄漏不多时用"堵"的办法，多时用“换”的办法。如对浮头式换热器，可以做一个"假帽子"，它是为了管束检漏，堵漏，改造后的换热器"大帽子"，相当于封头，但又不同于封头。做的目的，是实现壳程密闭打压，以露出两端的管板，便于找漏堵管。参见图1。此方案对问题的彻底解决最有效。

图1 浮头式换热器堵漏

10——预先作用：事先完成部分或全部的动作或功能；或在方便的位置预先安置物体，使其在第一时间发挥作用，避免时间的浪费。具体来说，制造换热器过程中应该选择厚管板，以增加管板强度，同时保证和管束之间的安装连接的密封和强度的各项要求，以使管程和壳程的流体完全隔开又不致泄漏。其次是在开工运行上要严格遵循预先制定好的操作规程。开车前应对压力表、温度计、安全阀、流量计、液位计和相关阀门等进行的仔细检查并确定是否完好。使换热器开车平稳运行。通入热流体前先要通冷流体，避免骤冷骤热，以保证换热器不受损坏。经常检查冷热流体的进出口温度和压力变化情况，发现异常要立即做出应变，及时消除故障，防患于未然。此原理对问题的解决也有较大的贡献。

19——周期性动作：管子发生周期性振动会造成管子局部

受损严重直到泄漏。管中流体流动会产生动态力作用在管子上，从而导致管子振动。目前有不少学者认为管子振动的机理可归纳为如下四种：

a.旋涡脱落激振

管子表面周期性脱落的旋涡可产生周期性的流体力。若管子的固有频率恰好和旋涡脱落频率相同，便使管子共振。

b.湍流抖振

流体的极度紊流会诱发管子的振动。紊流漩涡使管子受到随机的波动的作用力，会导致大幅度的管子振动。紊流不是引起管子振动的最主要原因，但是引起流体弹性激振的主要原因。

c.流体弹性不稳定性

流体弹性不稳定性是动态的流体力与管子的运动相互作用的结果。当气体、液体、或气液两相流体流过管束时，最为常见并最具破坏性的是流体弹性不稳定性。因此是激振机理中最重要的一个。

d.声共振

一般声共振只产生强烈的噪声，对管子不会造成损害。但若旋涡脱落频率同时与管子的固有频率、声频一致时，则管子很快被破坏。

根据此原理我们要尽可能避免管子的振动，以避免可能引发换热器管束的泄漏，因而对问题的解决也有贡献。

35——物理/化学状态变化：蒸汽冷凝和液体的沸腾也会使管子振动或者造成热应力。尤其是有气液两相流动存在的情况，会产生水击等现象，造成管子或壳体的振动。此方案对问题的彻底解决贡献较少，本文不作过多讨论。

2.4 发明原理的应用

综合分析以上4条发明原理可知，局部质量是对解决问题最有效果的发明原理，其次是预先作用原理、周期性动作原理和物理/化学状态变化。焊接法、胀接法、先焊后胀焊胀结合的方法正是基于发明原理13“局部质量”来进行了设计改造管束与管板的连接的。从设备制造和工艺操作两方面做好预防工作，也是有利于防止管口泄漏的方案。

3 总结

利用TRIZ矛盾矩阵理论圆满地分析解决了列管换热器泄漏问题的原因和解决方案，值得其他工程应用领域方面大力推广此理论。

[1] 杨清亮.发明是这样诞生的:TRIZ理论全接触[M].北京:机械工业出版社,2006.