摘要：板式换热器具备良好的传热性能，且体积较小，因此其应用越来越广泛。文章首先阐释了板式换热器的现状，然后分析了板式换热器的主要结构和引发换热器失效的因素，最后提出了板式换热器设计优化措施，旨在进一步促进板式换热器性能的提升。

关键词：板式换热器；传热系统；优化设计；分析

1引言

板式换热器一般使用于锅炉行业、印染行业、冶金行业、化工行业、环保行业、电池行业、船舶行业等领域，主要用于节能减排产业中各行业烟气的余热回收及各工艺系统中所必须的热量置换，热量回用从而达到节能的目的，进而提高企业的经济效益，降低运行成本，提高竞争力。已成功运用于各个VOC处理设备。本文对引发板式换热器中换热组件失效的因素进行了分析，主要讨论了腐蚀、堵塞、材质等方面的问题。通过对板式换热器的材质或者厚度或者结构的优化，从而延缓腐蚀，延长设备寿命。

2板式换热器的主要结构

气气板式换热器是一种新型节能环保设备，可满足气气热交换，是化工厂中的重要设备之一，由一块不锈钢板经过模具压制出特殊波纹或凸点，大量波纹板叠加焊制而成，板片之间采用全焊接密封，各板片之间形成薄矩形通道，冷热流体流经各自的通道，在板间错流通过板片材质进行热交换。不锈钢表面光滑，不易结污，容易清洗，可在高达一千度温度下安全的运行。由于每块板片压成波纹或凸点状，提高了换热器的换热效率，具有总传热膜系数高，换热效率高，耐高温等优点。

板式换热器与管式换热器相比，板式换热器具有占地面积小，热损失低的优点，占地面积比管式换热器小。因为不锈钢板为薄板厚度仅为0.7～1mm，而管子的厚度一般为1.5mm，所以板式换热器体积小、重量轻。且具有适用范围广、寿命长等特点。板式换热器换热组件整体设计为弹性结构，可克服高温环境下材质热膨胀产生的热应力，换热组件为不锈钢材质，在多回程设备设计中可根据工艺特性合理的进行模块化组合选材，降低设备投资成本。换热器采用全焊接形式，换热器为非标设计，根据客户需求与工艺要求定做，量体裁衣，投资少，见效快。

气气板式换热器因其再气—气换热尤其是超高温气—气换热领域的若干明显优势，已成为列管、热管和翅片管换热的升级换代产品。

3、板式换热器失效的因素分析

3.1腐蚀引发的失效问题

板式换热器常用的材质为奥氏体不锈钢，奥氏体不锈钢通常比马氏体不锈钢有更高的抗腐蚀能力。最常见的奥氏体不锈钢是300系列，如304型，316型，321型等。影响材料选择的主要因素有：（1）介质；（2）温度；（3）压力；（4）流体流速；（5）制造加工的工艺性能等。现在就气体中含有腐蚀性成分对换热器换热组件腐蚀情况进行分析。

换热器换热组件为不锈钢薄板，腐蚀分为应力腐蚀和晶间腐蚀。

3.1.1应力腐蚀

所谓的应力腐蚀是指在拉应力的作用下，金属在腐蚀介质中引起的破坏，这种行为是在应力和腐蚀共同存在的前提下产生的，并且对金属的破坏性相对较大，属于应力和腐蚀共同作用的结果。由于应力腐蚀而导致材料发生的断裂，称之为应力腐蚀断裂。金属在各种环境中都会有腐蚀，比如金属在大气中会有腐蚀，金属在海水中的腐蚀等等。根据金属表面的潮湿程度的不同，把大气腐蚀又分为三类：（1）干大气腐蚀；（2）潮大气腐蚀；（3）湿大气腐蚀。工业大气中含有的SO₂、NO₂、H₂S、NH₃等都增加了大气对金属的腐蚀作用，加快了金属的腐蚀速度。如果进入换热器内的气体自身就含有腐蚀性介质，并且含有水蒸气，气体内腐蚀性介质成分浓度增多，比如含有SO₂或者氯离子，在热侧烟气降低的同时，气体内的SO₂和水会生成腐蚀性的酸性溶液，将换热组件进行腐蚀，并且热烟气进口的温度相比较而言是高的，这时候换热组件会受热发生变形产生应力，从而造成应力腐蚀。

3.1.2晶间腐蚀

晶间腐蚀是局部腐蚀的一种。沿着金属晶粒的分界面向内部扩展的腐蚀。主要由于晶粒表面和内部间化学成分的差异以及晶界杂质或内应力的存在。晶间腐蚀破坏晶粒间的结合，大大降低金属的机械强度。而且腐蚀发生后金属和合金表面仍然保持一定的金属光泽，看不出被破坏的迹象，但晶粒间结合力显著减弱，力学性能恶化，不能经受敲击，所以是一种很危险的腐蚀。通常出现于黄铜、硬铝合金和一些不锈钢、镍基合金中。不锈钢焊缝的晶间腐蚀是化学工也的一个重大问题。

通过观察气体介质中含有硫离子或者氯离子并且运行了一段时间的气气板式换热器，换热组件表面会附着很多沉积物，热侧烟气出口处附着着一簇簇棕色垢样，去除垢样后，换热组件表面存在大量腐蚀孔，腐蚀孔直接为2～3mm。通过检验可以看出，换热组件薄板上覆盖了一层腐蚀产物，温度低于露点腐蚀时，造成换热板腐蚀穿孔，孔蚀一旦形成，即向深处自动加速，造成冷热侧气体串气，从而引起换热器失效。如若不去除垢样，继续使用，垢样可能会越积越多，造成换热组件通道堵塞，引起换热器换失效；若不造成堵塞，垢样附着在换热组件上，传热效果变差，也会影响换热器换热效果，随着垢样变多，慢慢堵塞，从而引起换热器失效。

3.2热膨胀

物体因为温度的改变而发生的膨胀现象叫做热膨胀。在压强不变的情况下，大多数的物质在温度升高的时候，体积会增大，温度降低的时候，体积会缩小。固体发生热膨胀是由于固体中相邻原子间的平均距离增大的缘故。固体物质的温度每改变1摄氏度的时候，其长度的变化和它在原温度时长度之比，称为线性膨胀系数。因为板式换热器换热组件为不锈钢板，温度越高，不锈钢板越容易发生膨胀，所谓的膨胀主要是指板材自身出现了微小的变形，膨胀差的存在会产生一定的应力，这种变形虽然很小，比如就几毫米的样子，但是会对焊接位置处产生严重的影响，即导致设备出现严重的二次应力问题。事实上，在换热器运行的过程中，会存在其他类型的各种应力，例如工作应力以及残余应力等，众多的应力之间会相互叠加，进而使换热器内部换热组件受到多个应力的联合影响。造成换热组件焊缝或者冷热侧气体通道焊接处拉裂，从而导致冷热侧气体相互串气，进而引发换热器失效。

3.3板式换热器附着和堵塞

板式换热器的通道间隙较小（通道间距为6-24mm），板片上压制出的特殊波纹和凸点相对，直径大于2～3mm 的颗粒杂物在经过通道时，容易在波纹和凸点处形成搭桥，从而越积越多，容易堵塞板片通道，造成气流无法通过通道，导致换热器无法进行换热。像遇到气体中含有容易附着在板式换热器板片上的介质时，附着物容易附着在板片上，导致不锈钢板片的传热效果变差，当附着物越积越多，会导致传热效果越来越差，从而引发换热器失效。堵塞是板式换热器经常遇到的现象。解决的办法是开检修口，运行一段时间后在颗粒物较多时进行清灰检修；或者选用光管换热器，因为管子的直径相对比较大，不容易造成堵塞。

4板式换热器失效状况的防范措施

4.1合理选择材料

针对应力腐蚀，首先需要对换热器的材料进行合理的选择，普通的钢材都非常容易受到硫、氯等物质的腐蚀，相比较而言不锈钢可能会稍微好些，但是因为不锈钢板片比较薄，所以就算少量的硫、氯离子，时间一长都可以引起严重的腐蚀问题，由于应力腐蚀受到腐蚀性物质以及应力的综合性影响，因此，在选择换热器材料的时候，需要尽可能的选择使用应力相对较强及耐腐蚀性能较强的材料，比如高纯奥氏体铬镍钢，316L，2205，ND钢，双相不锈钢，或者将换热板片厚度相应加厚，用到1mm，1.2mm或者1.5mm厚度。 同时，由于换热器的焊接位置处最容易受到应力的影响，因此，再进行换热器焊接作业的过程中，需要尽可能的提高焊接质量，确保焊接应力，以此使得焊接位置处不会受到严重的应力腐蚀影响。为了预防孔蚀，可以在不锈钢中加入钼、氮、硅等元素或者在加入这些元素的同时提高铬含量。在不锈钢材料中，加Mo的材料与不加Mo的材料相比，加Mo的材料耐点腐蚀性能要更好，含Mo量越多，耐点腐蚀的性能就越好。

4.2合理选择换热器型式

因为板式换热板片比较薄，通道比较窄，在含腐蚀成分较少的情况下，我们可以适当的增加不锈钢板片厚度，来延长换热器的使用寿命。要是腐蚀成分比较多的情况下，增加板厚也会适当的延长换热器的使用寿命，但是不锈钢板越厚越不容易压制，并且不能确定延长多久，因为一旦腐蚀穿孔，冷热侧气体相互串气，必将引发换热器失效。所以我们可以选择气气管式换热器，因为焊接管最薄也是1.5mm，还可以考虑无缝钢管等，相比较而言，使用时间会更长。板式通道相对于管子直径来说，通道间间距不如管子直径大的，更容易堵塞，所以对于含灰量比较大的气体，我们可以选择管式换热器，并在设备上加装检修口，管式换热器相比较更容易清灰，更不容易堵塞，从而不易影响换热效果，只是设备与板式换热器相比占地更大，面积更大，设备更重。

另相对于热侧进口温度较高的换热器，我们会考虑在热侧通道上加装膨胀节，因为温度越高，板片的热膨胀会越大，会使换热组件与通道的焊缝更容易拉裂，从而引发换热器失效。膨胀节为补偿因温度差与机械振动引起的附加应力，为了防止温度升高时，由于热伸长或温度应力而引起的变形或者破坏，从而减小作用在板片和通道上的作用力，防止换热组件被拉裂。对于温度高于1000℃的气体换热器，我们可以考虑用全辐射筒换热器，全辐射筒式换热器换热组件全部由辐射筒组成，辐射筒全部由波纹组成，能够很好的解决换热组件的热膨胀问题。

4.3减少气体中的腐蚀成分

引发换热器失效的原因之一是因为气体中含有的腐蚀性成分腐蚀换热组件，造成冷热侧气体相互串风，从而引起换热器失效。我们可以在气体进入换热器前，将气体进行处理，使气体中含有的腐蚀性成分，比如硫，氯含量减少。脱硫又分为干法脱硫、湿法脱硫和半干法脱硫。干法脱硫技术是指脱硫吸收和产物的处理均在干状态下进行，烟气在净化的过程中并无明显降温，但是脱硫效率低，反应速度比较慢等问题。湿法脱硫技术是用含有吸收剂的容易或者浆液再湿的状态下对含硫气体进行处理，该法具有脱硫反应速度比较快，脱硫效率高等优点，但对脱硫设备腐蚀严重，运行维护成本较高等问题。半干法脱硫技术是在脱硫剂在干燥状态下脱硫，在湿状态下再生，或者在湿状态下脱硫，在干状态下处理脱硫产物的烟气脱硫技术。不管哪一种技术，都可以使气体中的腐蚀成分减少，从而减弱对不锈钢板片的腐蚀。

5结束语

综上所述，板式换热器作为一种高效节能的换热器，可以灵活进行清洗和检修，因此其应用非常广泛。在换热器使用的过程中，其内部受到了多种应力的联合影响，如果气体介质中含有腐蚀，在腐蚀和应力的联合影响下，换热器非常容易出现严重的应力腐蚀问题，拉裂问题，造成冷热侧气体相互串气、漏风，进而引发换热器失效，对设备的安全运行产生严重影响，因此，企业需要采取多种类型的措施，从多方面考虑，全面降低应力腐蚀速率，保障板式换热器的换热效果及运行安全。

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