【摘要】本文通过对浮头式换热器的结构特点，污垢的形成、影响及对不同污垢的探讨分析，制定有效的技术措施，控制污垢的产生以及污垢的清除，提高生产效率，降低能源消耗，确保浮头式换热器安全、高效运行。
【关键词】浮头式换热器；防垢与除垢
在工业生产中实现两种物料之间热量传递的设备统称为换热器，20世纪30年代末瑞典制造出第一台板式换热器，应用于纸浆厂，60年代初，由于制造工艺进步使得板式换热器得到了完善和发展，在化工生产中的应用也愈加广泛。
换热器是在石油、化工、冶金、电力、轻工、食品等行业普遍应用的一种通用工艺设备。在炼油、化工装置中换热器占总设备数量的40%左右，占总投资的30%-45%。利用换热器进行高温和低温热能回收带来了显著的经济效益，换热器是典型的工艺设备，应用十分普遍，根据使用目的的不同，换热器可分为热加热器、加热器、冷凝器、蒸发器、再沸器等。
1、浮头式换热器的结构及特点
浮头式换热器是目前应用最为广泛的一种换热器，主要有管箱、壳体、管板、管束等，管子的两端采用胀接或焊接或胀、焊结合的方式固定在管板上，管子的轴线与壳体的轴线平行，浮头式换热器属于间壁传热式换热器。
浮头式换热器两端的管板，一端不与壳体相连，该端称浮头。管子受热时，管束连同浮头可以沿轴向自由伸缩，完全消除了温差应力。新型浮头式换热器浮头端结构，它包括圆筒、外头盖侧法兰、浮头管板、钩圈、浮头盖、外头盖及丝孔、钢圈等组成，浮头换热器的特点：浮头式换热器的一端管板固定在壳体与管箱之间，另一端管板可以在壳体内自由移动，这个特点在现场能看出来。这种换热器壳体和管束的热膨胀是自由的，管束可以抽出，便于清洗管间和管内。其缺点是结构复杂，造价高（比固定管板高20%），在运行中浮头处发生泄漏，不易检查处理。浮头式换热器适用于壳体和管束温差较大或壳程介质易结垢的条件。由于浮头式换热器换热面积大，传热效果好，长期以来在化工生产中占据了主体地位。
2、浮头式换热器的防垢与除垢
2.1污垢的形成、影响与监测
（1）污垢的形成与影响
所谓污垢是指在与流体周围接触的固体表面上逐渐积聚起来的一层固态或软泥状物质，它通常以混合物的形态存在。固体表面从洁净状态到被污垢覆盖的过程，就是污垢的积聚过程，人们常称之为结垢或污染。结垢是一种极为普遍的现象，它存在于自然界、日常生活和各种工业生产过程，特别是各种传热过程中。目前，对换热器的污垢比较严格的定义是：换热面上妨碍传热和增加流体流过换热面时阻力的沉淀物。换热装置污垢的两个基本属性：①对传热的阻碍；②增加了换热流体的流动阻力。为了防止和减少污垢对换热设备的不利影响，人们采取了一系列的防垢、抑垢和除垢措施，如定期清洗、进行致垢流体的处理等，这些对策虽然在一定程度上减轻了污垢的危害，但却加大了设备的维护费用，缩短了设备的正常运行周期，在一定程度上影响设备的寿命。
污垢现象广泛存在于各种传热过程中，污垢的形成是一个复杂的过程，简单地说，污垢产生包括两个过程：第一个过程是污垢沉淀的过程，即污垢颗粒从主流液体向表面输送并逐渐成长的过程；第二个过程是沉淀物质形成粒状、粒子簇或片状后由于流动剪应力或温差应力的作用从表面脱除的过程。
污垢对浮头式换热器及其系统的影响主要有以下几点：
①污垢是热的不良导体，污垢沉积在设备表面影响了传热效果，降低了生产效率。
②污垢积聚在设备的表面，使局部腐蚀加剧，容易产生点腐蚀造成穿孔。
③污垢在换热管内沉积使管内流体的流通截面积变小，增大了流动阻力，导致泵或风机的功率消耗增大造成设备运行总能量消耗增大。
④由于污垢而引起的停车清洗，降低了设备连续运行的周期，影响生产效率。
（2）污垢的监测
①厚度监测法：污垢厚度的测量可以用一种特定的仪器，它主要由一装有可移动钢针的测微计和一带电流表的电回路组成（图1），因金属的电阻远较污垢层的小而电流表的读数猛然增大，这两个电流读数的差值就反映了污垢层的厚度，其具体数值应针对同种污垢事先进行标定。
②压降检测法：压降的测量通常是针对圆形、矩形或环形截面的通道进行的，是在两个压力旁通支管间跨接一个差压计以测量其压力降。
③温差监测法：污垢的温差表示法是生产现场常用的一种污垢程度的表示方法，它是通过换热器工艺介质和冷却水进出口温度差的变化来反映污垢沉积量的变化。温差监测法简便直观，是一种被广泛采用的现场监测手段，其缺点是可信度受到其他因素的影响，在不采用校正的情况下，只能作为污垢积聚的一个参考值。
除上述方法外，还有液晶瞬态法、脉冲反射法、钙离子浓度法以及采用光学技术法等进行污垢检测。
2.2抑垢和防垢的技术措施
⑴水中杂质对浮头式换热器的危害
①以离子或分子状态溶解于水中的杂质危害
a.钙盐类
在水中的主要构成有Ca（HCO3）2＼、CaSO4、CaSiO3等，钙盐是造成浮头式换热器结垢的主要成分，其中CaSO4是一种松软的泥渣式水垢。
b.镁盐
在水中的主要构成有Mg（HCO3）2、MgCl2、MgSO4等镁在水中受热分解后生成Mg（OH）2沉淀，Mg（OH）2也是泥渣式水垢。溶解在水中的MgCl2、MgSO4，在PH<7时，由于水解作用会造成金属壁的酸性腐蚀。
c.钠盐
主要构成有NaCl、Na2SO4、NaHCO3等，NaCl不生成水垢，但在水中有游离氧存在，会加速金属壁的腐蚀；Na2SO4的含量过高，会在管束上结盐，影响安全运行。
②溶解氧气体的危害
浮头式换热器发生的腐蚀原因很多，但腐蚀最严重的、速度最快的还是氧气，铁在不含氧中性水中，系统金属表面的铁原子失去电子成二价的离子，当水中有氧气存在时会被氧化成不溶性的氢氧化铁沉淀出来。可以看出，水和氧是受腐蚀的必要条件，当腐蚀在整个金属表面基本均匀地进行时，腐蚀的速度就不会很快，所以危害性不大，这种腐蚀称为全面腐蚀。当腐蚀集中于金属表面的某些部位时，则称为局部腐蚀。局部腐蚀的速度快，容易锈穿，是浮头式换热器常见的局部腐蚀。
③以胶体状态存在的杂质对浮头式换热器的危害
a.铁化合物
主要成分是Fe2O3，它会生成铁垢，当水中含有铁化合物较多时，水常呈黄色。
b.粘垢
主要是微生物的分泌物与水中泥沙、腐蚀产物、菌藻残骸黏结而成，它们常常附着在浮头式换热器壁面上，产生各种有机酸，这种酸也会引起腐蚀。
因此，浮头式换热器流体水质要求非常重要，在运行管理中，应加强重视，配备一些必要的防垢、防腐设备，延长设备的使用寿命。
⑵浮头式换热器常用的防垢措施
①浮头式换热器防垢前期注意事项
a.投运前的检查
换热设备在加工、运输和安装过程中都可能受到污染和损伤，因此，必须对换热设备进行检查，其目的是确保换热设备的质量满足要求。检查的主要内容是：结构材料是否符合抑制腐蚀污垢要求；是否按要求进行表面处理或喷涂，以减少污垢的生成等。
b.压力试验
在浮头式换热器投运前，通常要在验收现场，以系统的方法进行水压试验，从抑制污垢的角度建议按如下步骤进行试验。
（a）从浮头式换热器设备中除去残余物，如焊条、凸出的焊渣、橡胶手套等。
（b）试验用水要洁净，否则会使浮头式换热器在投运前产生腐蚀或沉积。
（c）在浮头式换热器试验后，应进行充分的排水，然后用加有缓蚀剂、杀菌剂的溶液充满，以防止腐蚀和污染。
（d）若清洗后的浮头换热器处于备用状态，则缓蚀剂的浓度和数值要维持在适当水平，以防止腐蚀。还要进行周期性的检查。
（e）在浮头换热器投运和启动前应将缓蚀溶液完全排除。
②加药软化处理
加药软化处理是常用的防垢抑垢措施，这种方法简单高效，经济性好，实用性强。通常根据加药的方法不同，有校正剂处理和防垢剂处理两种方法。
a.校正剂方法
水中的永久硬度物与校正剂反应生成泥渣，避免了硫酸盐水垢。常用的校正剂主要有NaOH、Na2CO3、NaHCO3等。
b.防垢剂方法
防垢剂在水中解离后，游离出的CO2-3、PO3-4等能和水中硬度的盐类起反应生成泥渣而不结垢。常用的防垢剂是由校正剂和磷酸三钠等物质组成的混合药剂。
③磁化防垢处理
磁化防垢处理原理是利用水分子具有的极性，在外界高强度磁场的作用下，相邻的带极性的离子或分子，就有秩序地相互压缩和吸引，从而导致结晶条件的改变，形成的结晶物很松弛，抗压、抗拉能力差，其黏结力和附着力也很弱，它们不易附着在受热面上形成水垢。
根据上述原理，制造成各种形式的磁化器，最典型的是永磁磁化器和强磁除垢器。
④离子棒防垢处理
离子棒具有防垢除垢的双重功能，其原理如下：
a.离子棒通过8500v高压静电场的直接作用，改变水分子中的电子结构，水偶极子将水中阴阳离子包围，并按正负顺序呈链状整齐排列，使之不能自由运动，水中所含阳离子不致趋向器壁，阻止钙、镁离子在器壁上形成水垢，从而达到防垢的目的。
b.由于静电的作用，在结垢系统中能破坏分子间的电子结合力，改变晶体结构，促使硬垢疏松，从而提高水垢的溶解速率，使已产生的水垢能逐渐剥蚀、脱落，从而达到除垢的目的。
⑤钠离子交换软化处理
钠离子交换处理的原理是将水中的Ca2+和Mg2+盐类，利用置换原理，将其用Na2+置换，这样水中的Ca2+和Mg2+就没有或很少，达到水质软化的目的，从而防垢。
2.3污垢的清除与清洗
浮头式换热器结垢所造成的经济损失非常严重，因此，除在浮头式换热器设计、选型、控制污垢等方面采取抑垢措施外，还应定期进行污垢的清洗、清除。
⑴浮头式换热器的合理清洗周期
因污垢随运行时间而不断增长，使浮头式换热器的传热能力逐渐下降，这就要求对浮头式换热器进行周期性地清洗，而确定最佳的清洗周期就非常重要了。
最佳的清洗周期可以用两种方式表达：
①以总生产率最大作为目标函数求得最佳的清洗周期，成为最大产量清洗周期。
②以单位质量产品的费用最小作为目标函数求得最佳的清洗周期，成为最小成本周期。
⑵机械清洗技术
机械清洗是各种工业中常用的清除浮头式换热器污垢的方法，它可以除去化学清洗方法不能除去的炭化污垢和硬质垢层，而钢材损耗微小。采用机械清洗时，常常得先将设备解体，因此清洗时间较长，费用也较高，但也有有利的方面，就是在解体清洗的同时，可以检查、修补或替换损坏的换热面。
机械清洗的方法可以分为两类：一类是强力清洗法，如喷水清洗、喷砂清洗、刮刀或钻头除垢等；另一类是软机械清洗，如钢丝刷清洗和胶球清洗等。
⑶化学清洗技术
①化学清洗的机制及影响因素
化学清洗的机制包括：a.清洗剂进入待清除的污垢层；b.清洗剂湿润并渗入整个污垢层，并与其中的一些组分发生化学反应；c.扩散作用使反应生成物在清洗剂中耗散。
大量研究表明，在若干个影响因素中，起主要作用的有清洗剂浓度、清洗温度和化学反应。此外机械作用（流量、流速）对清洗过程也有一定的影响。
②化学清洗的特点 化学清洗的优点主要表现以下几点：
a.化学清洗可不必拆开设备，这对浮头式换热器非常重要。
b.化学清洗能清洗到机械清洗所清洗不到的地方。
c.化学清洗均匀一致，微小的间隙均能洗到，不会形成新的污垢。
d.化学清洗可以避免金属表面的损伤。
e.化学清洗可以现场完成，劳动强度比机械清洗小。
f.化学清洗的钢材腐蚀量，几乎可以忽略不计。
化学清洗的缺点如下：
a.不适用管程、壳程全被污垢堵塞的换热设备。
b.难以除去炭污垢。
c.清洗时如果处理不当或缓蚀剂使用不当，会导致设备发生腐蚀现象。
d.因使用了各种药剂，需对清洗废液加以处理，直接排放会污染环境。
③化学清洗的方法
常用的清洗方式有如下几种：
a.循环法
在清洗液储槽和被清洗的设备之间接上循环泵和管道以形成闭合回路，通过泵强制清洗液循环来实现清洗，是最为普遍使用的一种方法。
b.浪涌法
将清洗液充满清洗设备，每隔一定时间把清洗液从底部卸出一部分，再将卸出的液体装回设备内，以达到搅拌清洗的目的。
④化学清洗的一般程序
化学清洗是一项非常复杂的任务，它涉及设备本身及与设备相连的清洗装置和物料所构成的整个系统。要进行有效、经济和安全的清洗，必须全面考虑严格按清洗程序实施。一般来说，一个完整的清洗过程大致包含以下基本程序：
a.了解、勘察和检查被清洗设备的型式和相关尺寸，掌握设备的材质及应清洗的地方。
b.进行污垢调查，在有代表性的结垢处取样进行成分分析，将污垢用各种药剂进行处理试验，求出溶解度，确定药剂的品种、剂量及清洗时间。
c.结合实际情况，确定清洗配方和相应的缓蚀剂，确定清洗液的浓度和用量。
d.确定清洗地点，妥善安排清洗用水源、加热清洗液的热源以及污水的处理和排放。
e.制定安全可靠，科学合理的清洗方案，同时做好安全防范和人员协调等各项工作。
3、结论
浮头式换热器带垢、带锈运行，将导致工业设备生产效率严重降低，能源消耗大幅增加，严重影响产品质量，设备故障率频繁，给安全生产带来严重隐患，由于浮头式换热器结垢、腐蚀，导致报废、更换、维修，会造成生产停顿和巨大的经济损失，这就要求我们企业的生产经营管理者必须高度重视浮头式换热器的防垢和除垢工作，确保浮头式换热器安全、高效运行。