熱交換器が漏れたらどうすればいいですか？ この記事は、漏れの原因と対処法について説明しています

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熱交換器の漏れは、しばしば装置全体の停止を引き起こし、生産の経済性に影響を与えるだけでなく、メインエンジンやその他の機器の安全な運転を直接的に脅かし、深刻な機器損傷事故を引き起こすこともあります。 管式熱交換器の紹介 管式熱交換器は、現在最も広く利用されている熱交換装置です。他のいくつかの間壁式熱交換器と比べて、単位体積あたりの装置が提供できる伝熱面積ははるかに大きく、伝熱効果も優れている。 管束式熱交換器は、管、管板、折り返し板、ケーシング、エンドキャップ（管箱）などで構成されている。 熱交換を行う際、ある流体がエンドキャップの接続管から流れ込み、管内を流れてエンドキャップの反対側にある出口管から流出する。これを管路と呼ぶ；もう一つの流体はケーシングの取り付け管から入り、ケーシング上の別の取り付け管から出ていきます。これをケーシングサイドと呼びます。 管殻式熱交換器の漏れ原因　管殻式熱交換器の内部配管の漏れは、主に管自体の漏れと管端の漏れに分けられる。 熱交換器の管端からの漏れの原因 1　熱応力が過大であること　管束式熱交換器を運転する際、冷媒と熱媒の温度が異なるため、ケーシングと管壁の温度に差が生じる。この差異により、ケーシングとチューブの熱膨張が異なり、両者の温度差が大きい場合、チューブがねじれたり、フラワープレートから緩んだりして、最悪の場合は熱交換器全体が破壊されることもあります。これに対しては、構造的に熱膨張の影響を考慮し、さまざまな補償方法を用いる必要がある。 熱交換器の起動・停止時に温度上昇率や温度下降率が規定を超えると、高圧加熱器の配管や管板に大きな熱応力がかかり、配管と管板を接続している溶接部や拡張接合部が損傷し、ポートからの漏れが発生する。 2 管板の変形は、主に管板の加工による変形および加工時に生じる変形であり、管と管板が接続されているため、管板が変形すると管の端部から漏れが発生します。 3　配管の封止工程が不適切で、一般的には円錐形のシールを溶接して配管を封止する。円錐形のプラグを挿入する際は、力加減に注意しましょう；打撃力が強すぎると管孔が変形し、隣接する管と管板の接合部に影響を及ぼし、損傷を引き起こして新たな漏れが発生する。 溶接の過程で、予熱や溶接部の位置・寸法が適切でないと、隣接する管と管板の接合部が損傷することがあります。 拡管による封止や爆発による封止など、他の管閉塞方法を用いた場合でも、工程が不適切だと隣接する管口からの漏れが発生することがある。したがって、厳格なチューブ封止工程に従うべきである。 熱交換器のチューブ自体の漏れの原因 1. 侵食によるもの 一つの原因は、蒸気の流速が高く、かつ蒸気流中に大きな水滴が含まれている場合、チューブの外壁が蒸気と水の二相流によって侵食されて薄くなり、穿孔が生じたり、給水圧力によって破裂したりすることです。 もう一つの原因は、蒸気や疎水性物質の直接的な影響です。防衝板の材料と固定方法が不適切だったため。運転中に破損または剥がれ落ち、洗掘防止機能を失う；衝撃板の面積が十分でなく、水滴は高速の気流に乗って移動し、衝撃板の外側にある管群に衝突する；ケーシングとチューブバンドの間隔が狭すぎるため、入口部の蒸気流速が非常に高くなっている。 2　配管の振動：給水温度が低すぎる場合や、発電機が過負荷状態にある場合など、熱交換器の配管間を流れる蒸気の流量や流速が設計値を大幅に上回ると、ある程度の弾性を持つ配管群は、ケーシング側の流体による外力の影響で振動を起こします。このとき、外力の周波数が配管群の自然振動周波数またはその倍数と一致すると、配管群が共鳴し、振幅が増大します。その結果、配管と管板の接続部に繰り返し力が加わり、配管群が損傷してしまいます。 3 管体の給水入口端における侵食 入口管端の侵食損傷は炭素鋼製熱交換器にのみ発生し、侵食と腐食が共同作用する損傷過程である。そのメカニズムは、管壁金属の表面に形成された酸化膜が乱流度の高い給水によって破壊され、剥ぎ取られることで金属材料が絶えず失われていくというものである。最終的には管が破損する。 低圧熱交換器の配管が銅製の場合、低圧加熱器の銅管は漏れが深刻になることが多く、交換を余儀なくされる。pH値が8.5～8.8のとき、銅の腐食率は最も低くなる。一方、炭素鋼ではpH値を9.5以上に保つ必要がある。ボイラ給水のpH値が高すぎたため、銅管が腐食しました。 5　材質や製造工程の不備：管の材質が悪く、管壁の厚みが均一でない。組み立て前に管に欠陥があり、拡管部が過度に拡張されている。また、管の外側に引っ張りによる損傷の跡があるなど、熱交換器が異常な動作状態に置かれると、管が大量に損傷することになる。 管式熱交換器の漏洩対策　漏洩発生後の対策　漏洩が発生すると給水圧力が低下し、ボイラーへ供給される給水量が減少する。したがって、熱交換器の配管系に漏れが見つかった場合は、直ちに熱交換器の運転を停止し、配管の損傷数を減らし、損傷の程度を軽減しなければなりません。 機組が停止している間は、高圧加熱器に漏れがないかを確認し、対策を講じて解消しなければならない。ポートの漏れについては、元の溶接部の金属を削り取ってから再溶接し、熱応力を除去するために適切な熱処理を行う必要がある。管自体の漏れについては、まず管束の漏れの形態と位置を確認し、適切な封止処理法を選んで管の両端を封じるべきである。 どのような封止工程を用いる場合でも、封止品質を確保するためには、封止対象となる管の端部を適切に処理し、管板や管孔を滑らかで清潔な状態にし、封止栓と良好な接触面を持たせる必要がある。管と管板の接続部に亀裂や侵食がある場合は、必ず端部の元の管材および溶接部の金属を除去し、栓と管板が密着するようにしなければならない。 熱交換器の漏れ防止対策 1 管端の漏れ防止対策 熱交換器は、製造段階で十分な厚さの管板を備え、良好な管穴加工、溶着、管の拡張接合、溶接技術が必要であるほか、運用面では起動・停止時の温度上昇率や温度下降率を規定値以内に抑える必要があります。水側には過圧を防ぐための安全弁が必要で、点検時には適切な管の封止手法が求められます。 2 管自体の漏れ防止措置、侵食防止措置、ケーシング側の蒸気またはドレンの流速制限、および冷却段内での急激な気化の防止；蒸気冷却段の出口蒸気には、十分な余剰過熱度が必要である；防衝板の固定はしっかりと行い、面積は十分に確保し、材質も良いものを使用すること；ケーシング側の水位を正常に保ち、低水位または無水位での運転は禁止する。 管子振動防止対策 高圧加熱器側に蒸気側安全弁を設置；ケーシング側の蒸気または排水の流速を制限する；チューブ間の間隔は十分に大きくしなければならず、これにより一方でケーシング側の流速が低下し、他方でチューブ同士が衝突して摩擦による損傷が生じる可能性が低減される。また、管群の自由長も制限される。 配管の給水入口部における腐食防止策 流体の管内での流速は、対流熱伝達係数の値に影響を与えるだけでなく、スケールによる熱抵抗にも影響を及ぼし、それによって全熱伝達係数の大きさが変わってくる。適切な流速を選ぶことは非常に重要です。給水流量を制限したり、一部の熱交換器を停止したり、熱交換器の閉塞管が多くなると、管内の流速が著しく上昇する。この場合は、給水の一部をバイパス経由でボイラーに送るか、または発電機の負荷を下げるべきである。 腐食防止対策　応力の除去。応力には、外部から加わる応力、残留応力、溶接応力、および腐食生成物によって生じる応力など、さまざまな起源がある。材料の選定にあたっては、機組を無銅システムにすることで、機組全体の防食および蒸気の品質管理に有利となる； 完備した排気システムが必要であり、配管の接続においては、非凝縮性ガスが圧力の低い熱交換器内に蓄積するのを防ぐため、一般的に段階的な直列接続は避けることが推奨される； 放気システムが正常に動作するようにし、起動時には水側および蒸気側の空気を完全に排出し、給水の品質も基準を満たしていなければならない； 出荷時には、保管・輸送過程での腐食を防ぐための十分な防食対策が必要であり、炭素鋼製の熱交換器の場合、通常は蒸気側と水側の両方で窒素を充填する防食方法が採用される； 熱交換器を停止する際は、停止期間の長さに応じて、水を充填したり、蒸気や窒素を充填したりするといった防食対策が講じられる。また、保護効果を高めるために、水側で脱酸水のpH値を適切に調整する。 材質や製造工程の不備による配管の漏れを防ぐための対策として、耐侵食性を高めるために配管壁の厚さは少なくとも2.0mm以上でなければならない。組み立て前には、各管に対して探傷や水圧試験などの検査を行う必要があります； 配管は熱処理を行い、目視上の欠陥がないこと；管板の管穴は、一定の粗さ、公差、および同心度を保つ必要があり、管穴の面取りや丸めは滑らかでバリがないものでなければならない。 予防的なチューブ閉塞　予防的なチューブ閉塞を行う。配管の一部を塞ぐと同時に、管板に適切な大きさのバイパス孔を開けることで給水の流速を下げ、腐食を軽減することが推奨される。この方法は国内外の多くの発電所で採用されており、熱交換器の寿命を適切に延ばし、漏れの回数を減らすことができることが実証されている。 プロセスの選択　熱交換器において、どの流体を管側に、どの流体をケーシング側に流すかは、以下の点を一般的な選定原則として考慮することができる：a）不純物を含むか、または結晶化しやすい物質は、清掃しやすい側を流れるべきである。直管式の管束の場合、上記の物質は通常管内を流れるべきですが、管束を取り外して洗浄できる場合は、管外を流れても構いません。 b）対流熱伝達係数を高めるために流速を上げる必要がある流体は、管内を流れるべきである。なぜなら、管内の断面積は通常管間の断面積よりも小さく、また流速を上げるために多管程を用いやすいからである。 c） 腐食性のある物質は配管内を通すべきであり、これによりケーシングは通常の材料で製造でき、管、管板、およびヘッドのみが耐食材料を使用することになる。 d） 高圧の物質は管内を流れるため、ケースは高圧に耐える必要がない。 e） 温度が非常に高いか低い物質は、熱の損失を減らすために配管内を通すべきである。もちろん、より良い熱放散のためには、高温の物質をシェル側に通すことも可能です。 f) 蒸気は一般にシェル側に通される。これは凝縮液の排出が容易であり、蒸気は比較的清浄で、対流熱伝達係数も流速との関係が小さいためである。 g）粘度が高い流体は、一般的にケーシング側の空間を流れる。障板が設置されたケーシング側で流動する際、流路の断面や流れ方向が絶えず変化するため、低Re数（Reが100以上）でも乱流に達しやすく、管外の流体の対流熱伝達係数を向上させるのに有利である。