Thiết bị trao đổi nhiệt là "trái tim" trong việc quản lý nhiệt và năng lượng trong công nghiệp, nhưng vì phải hoạt động dưới nhiệt độ, áp suất cao và môi trường dễ ăn mòn, bám bẩn, chúng khó tránh khỏi hư hỏng theo thời gian. Nếu không kịp thời phát hiện và xử lý, các sự cố này có thể làm giảm hiệu suất, tăng chi phí và gây mất an toàn. Trong bài viết này, Avil Việt Nam sẽ phân tích các vấn đề thường gặp ở thiết bị trao đổi nhiệt, đồng thời cung cấp kiến thức chuyên sâu để giúp doanh nghiệp nhận diện, phòng ngừa và xử lý hiệu quả.
I. Tại sao thiết bị trao đổi nhiệt gặp vấn đề sau một thời gian vận hành?
Thiết bị trao đổi nhiệt được thiết kế để hoạt động trong điều kiện khắc nghiệt, nhưng không có thiết bị nào là miễn nhiễm với sự xuống cấp theo thời gian:
- Điều kiện vận hành khắc nghiệt: Tiếp xúc liên tục với nhiệt độ và áp suất cao, sự thay đổi áp suất/nhiệt độ đột ngột, và dòng chảy của các môi chất có thể chứa hóa chất ăn mòn, các hạt lơ lửng gây bám bẩn hoặc xói mòn.
- Sự hao mòn tự nhiên: Vật liệu chế tạo, đặc biệt là các bộ phận như gioăng (đối với dạng tấm), trải qua quá trình lão hóa và suy giảm tính chất theo thời gian.
- Sai sót từ khâu thiết kế, chế tạo hoặc lắp đặt ban đầu: Việc lựa chọn vật liệu không hoàn toàn phù hợp, thiết kế không tối ưu cho điều kiện thực tế (ví dụ: không tính hết vấn đề giãn nở nhiệt), sai sót trong quy trình chế tạo hoặc lắp đặt (siết bulông không đều, căn chỉnh sai lệch) có thể tạo ra điểm yếu.
- Vận hành không đúng quy trình: Khởi động hoặc dừng hệ thống quá nhanh, làm việc ngoài giới hạn nhiệt độ/áp suất thiết kế, hoặc không duy trì các thông số quy trình ổn định.
- Thiếu hoặc thực hiện bảo trì không đúng cách: Không vệ sinh định kỳ, bỏ qua các dấu hiệu cảnh báo sớm, hoặc sửa chữa tạm thời không triệt để.
II. Các vấn đề thường gặp ở thiết bị trao đổi nhiệt và giải pháp
Dưới đây là các vấn đề phổ biến nhất mà người vận hành thiết bị trao đổi nhiệt thường gặp phải, cùng với phân tích chuyên sâu và các giải pháp.
1. Bám bẩn
Mô tả: Sự tích tụ và lắng đọng của các lớp vật liệu không mong muốn lên bề mặt truyền nhiệt (bên trong ống, giữa các tấm, trên bề mặt ống cánh, trong không gian vành khuyên), tạo thành một lớp "cách nhiệt" làm giảm khả năng truyền nhiệt.
Nguyên nhân: Bao gồm kết tủa từ dung dịch (nước cứng), lắng đọng hạt lơ lửng (bùn, bụi), phản ứng hóa học trên bề mặt, phát triển sinh học (màng nhầy), ăn mòn tạo sản phẩm bám dính, hoặc đông đặc/đóng băng.
Hậu quả: Giảm đáng kể hiệu suất trao đổi nhiệt (hệ số truyền nhiệt tổng thể U giảm), tăng sụt áp qua thiết bị (do giảm diện tích dòng chảy và tăng độ nhám bề mặt), có thể gây ăn mòn cục bộ dưới lớp bám bẩn, giảm công suất xử lý, yêu cầu dừng máy đột ngột để vệ sinh.
Cách phát hiện: Theo dõi sự giảm dần của chênh lệch nhiệt độ đầu ra (nhiệt độ dòng lạnh thấp hơn hoặc dòng nóng cao hơn dự kiến) khi các điều kiện khác không đổi. Giám sát sự tăng lên của sụt áp. Kiểm tra trực quan bề mặt truyền nhiệt khi dừng máy.
Phòng ngừa: Kiểm soát chất lượng môi chất (lọc bỏ hạt rắn, xử lý nước, kiểm soát hóa chất), duy trì vận tốc dòng chảy đủ cao để giảm lắng đọng (nhưng không quá cao gây xói mòn), lựa chọn vật liệu bề mặt phù hợp, lên kế hoạch vệ sinh định kỳ dựa trên kinh nghiệm vận hành hoặc giám sát.
Cách khắc phục:
- Vệ sinh cơ học: Dùng bàn chải, dụng cụ cạo, hoặc bắn áp lực cao (nước, khí, hạt rắn) để loại bỏ lớp bám bẩn. Phù hợp cho cặn cứng, hạt lơ lửng. Dễ thực hiện bên trong ống của dạng ống chùm và ống trong của ống lồng ống. Dễ tháo tấm để vệ sinh cho dạng tấm. Khó khăn đáng kể cho ống xoắn do hình dạng uốn cong và không gian hẹp, cũng như không gian vành khuyên của ống lồng ống nếu không được thiết kế để dễ dàng tiếp cận hoặc tháo rời.
- Vệ sinh hóa học: Lưu thông dung dịch hóa chất phù hợp (axit, bazơ, chất tẩy rửa, enzym) để hòa tan hoặc làm bong lớp bám bẩn. Có thể thực hiện tại chỗ mà không cần tháo rời bộ trao đổi nhiệt. Phổ biến cho dạng tấm và các loại thiết bị có đường ống cho phép lưu thông hóa chất. Cần chọn hóa chất không gây hại vật liệu bộ trao đổi nhiệt và gioăng.
- Vệ sinh thủy lực áp lực cực cao: Bắn tia nước với áp lực rất lớn (có thể lên đến hàng nghìn bar) để loại bỏ cặn cứng. Hiệu quả nhưng cần thiết bị chuyên dụng và kỹ thuật viên lành nghề.
2. Ăn mòn
Mô tả: Sự suy giảm vật liệu chế tạo bộ trao đổi nhiệt do phản ứng hóa học hoặc điện hóa với môi chất.
Nguyên nhân: Tính ăn mòn của môi chất (axit, bazơ, muối, ion Cl-, nước có tính ăn mòn), sự khác biệt điện hóa giữa các kim loại khác nhau (ăn mòn Galvani), sự có mặt của oxy hoặc các chất gây ăn mòn khác, nhiệt độ vận hành (thường tăng tốc độ ăn mòn ở nhiệt độ cao), ăn mòn cục bộ tại các điểm khuất hoặc dưới lớp bám bẩn (ăn mòn kẽ hở, ăn mòn rỗ), ứng suất trên vật liệu (ăn mòn ứng suất).
Hậu quả: Giảm độ dày thành vật liệu (ống, tấm, vỏ), suy yếu cấu trúc, gây thủng dẫn đến rò rỉ, hỏng hóc thiết bị nghiêm trọng, gây ô nhiễm môi chất.
Cách phát hiện: Kiểm tra trực quan (dấu hiệu rỉ sét, bề mặt bị rỗ, mỏng đi, nứt), kiểm tra không phá hủy (siêu âm đo chiều dày - UT, kiểm tra dòng xoáy - Eddy Current, kiểm tra thẩm thấu), thử áp suất để phát hiện rò rỉ do ăn mòn thủng, phân tích môi chất để tìm dấu hiệu kim loại bị ăn mòn.
Phòng ngừa:
- Lựa chọn vật liệu chế tạo phù hợp với tính chất ăn mòn của môi chất (Thép không gỉ đặc biệt, hợp kim Niken, Titanium, Graphite, vật liệu phi kim loại).
- Kiểm soát chất lượng môi chất (kiểm soát pH, loại bỏ oxy, giảm nồng độ ion gây ăn mòn).
- Thiết kế tránh các khu vực tù đọng dễ gây ăn mòn kẽ hở.
- Áp dụng các biện pháp chống ăn mòn bổ sung (phủ bề mặt, bảo vệ cathode).
- Kiểm soát nhiệt độ vận hành.
Cách khắc phục:
- Sửa chữa cục bộ: Hàn vá các vết ăn mòn (nếu khả thi và an toàn), bịt các ống bị ăn mòn thủng (đối với dạng ống chùm, làm giảm diện tích).
- Thay thế: Thay thế các ống bị ăn mòn nặng (dạng ống chùm), thay thế các tấm bị ăn mòn (dạng tấm), thay thế toàn bộ thiết bị nếu hư hỏng nghiêm trọng và lan rộng.
3. Rò rỉ
Mô tả: Sự thoát ra ngoài của môi chất hoặc sự trộn lẫn giữa hai dòng môi chất bên trong bộ trao đổi nhiệt.
Nguyên nhân:
- Hỏng gioăng: Gioăng bị lão hóa, chai cứng, nứt vỡ, lắp đặt sai (siết bulông không đều hoặc quá/thiếu lực), tấn công hóa học bởi môi chất, làm việc quá nhiệt độ/áp suất thiết kế của gioăng. Rất phổ biến ở dạng tấm.
- Thủng ống: Do ăn mòn, xói mòn, rung động gây mài mòn ống, lỗi vật liệu hoặc mối hàn ống với tấm ống (dạng ống chùm).
- Nứt tấm: Do ăn mòn, mỏi vật liệu do sốc nhiệt/áp suất lặp đi lặp lại, lỗi sản xuất. Xảy ra ở dạng tấm.
- Hỏng mối hàn: Nứt mối hàn vỏ, mối hàn ống với tấm ống, mối hàn các kết nối ngoài do ăn mòn, mỏi, lắp đặt hoặc chế tạo sai. Có thể xảy ra ở dạng ống chùm, dạng tấm hàn, ống lồng ống/ống đôi, ống xoắn nếu là bó ống.
- Nứt ống hoặc vỏ ngoài: Do đóng băng, ứng suất quá mức. Có thể xảy ra với ống xoắn hoặc ống lồng ống/ống đôi.
Hậu quả: Mất mát môi chất (lãng phí, ô nhiễm), giảm hiệu suất (nếu dòng nóng rò rỉ sang lạnh hoặc ngược lại), ô nhiễm sản phẩm (trộn lẫn hai môi chất), nguy cơ an toàn nghiêm trọng (nếu rò rỉ chất độc hại, dễ cháy nổ), mất chân không (trong bộ ngưng tụ).
Cách phát hiện: Kiểm tra trực quan dấu hiệu rò rỉ bên ngoài, giảm mức chất lỏng/áp suất trong hệ thống, kiểm tra chất lượng môi chất để phát hiện sự trộn lẫn, thử áp suất riêng từng phía (thủy lực hoặc khí nén), thử rò rỉ bằng khí dò (Helium, Hydro/Nitrogen).
Phòng ngừa: Lựa chọn vật liệu và loại bộ trao đổi nhiệt phù hợp (tránh ăn mòn, xử lý tốt giãn nở nhiệt), lắp đặt đúng quy trình (đặc biệt siết bulông dạng tấm), bảo trì và thay thế gioăng định kỳ (dạng tấm), vận hành trong giới hạn thiết kế, kiểm soát chất lượng môi chất.
Cách khắc phục:
- Thay thế gioăng: Xác định tấm bị rò rỉ gioăng (đối với dạng tấm) và thay gioăng.
- Bịt ống hoặc thay ống: Bịt vĩnh cửu các ống bị thủng (làm giảm diện tích truyền nhiệt) hoặc thay thế ống nếu có thể (đối với dạng ống chùm). Với ống lồng ống/ống đôi, việc sửa chữa hoặc thay thế ống bên trong (ống nhỏ) hoặc ống bên ngoài (ống lớn) hoặc sửa mối hàn tại các bộ phận kết nối cần kỹ thuật viên chuyên biệt. Với ống xoắn, nếu một ống trong bó ống bị thủng, việc tìm và bịt/sửa có thể rất khó khăn hoặc không khả thi, đôi khi cần thay thế toàn bộ bó ống/thiết bị.
- Hàn sửa: Sửa các vết nứt vỏ, mối hàn (nếu cho phép và an toàn).
- Thay thế tấm: Thay thế tấm bị nứt/thủng (dạng tấm).
- Thay thế thiết bị: Nếu hư hỏng quá nặng, lan rộng hoặc không thể sửa chữa hiệu quả/kinh tế.
4. Rung động
Mô tả: Sự rung lắc quá mức của các thành phần bên trong bộ trao đổi nhiệt (ống, tấm chắn) hoặc toàn bộ thiết bị.
Nguyên nhân: Rung động do dòng chảy (các hiện tượng khí/thủy động khác) phổ biến trong ống chùm (rung động ống) và đôi khi trong các loại khác. Rung động từ thiết bị kết nối (bơm, quạt). Rung động âm thanh (khí vận tốc cao đi qua cấu trúc ống cánh).
Hậu quả: Mỏi vật liệu gây nứt (ống, mối hàn), xói mòn do cọ xát (ống cọ vào tấm chắn hoặc ống khác), tiếng ồn lớn, hỏng hóc cấu trúc đỡ. Đặc biệt quan trọng trong dạng ống chùm. Với ống lồng ống/ống đôi hoặc ống xoắn có chiều dài lớn hoặc không được hỗ trợ đầy đủ, dòng chảy cũng có thể gây rung động.
Cách phát hiện: Quan sát hoặc cảm nhận rung động bất thường, tiếng ồn, kiểm tra trực quan các dấu hiệu cọ xát khi dừng máy. Sử dụng thiết bị đo rung động chuyên dụng.
Phòng ngừa: Thiết kế phù hợp (khoảng cách tấm chắn tối ưu trong dạng ống chùm, sử dụng ống đỡ giữa), giới hạn vận tốc dòng chảy, cân bằng động các thiết bị kết nối, sử dụng khớp nối mềm, đảm bảo các cấu trúc đỡ bộ trao đổi nhiệt vững chắc.
Cách khắc phục: Giảm lưu lượng dòng chảy (nếu có thể), thêm ống đỡ giữa hoặc điều chỉnh khoảng cách tấm chắn (đối với ống chùm - là giải pháp thiết kế lại phức tạp), sửa chữa hoặc thay thế các thành phần bị hỏng do rung động.
5. Ứng suất nhiệt và áp suất
Mô tả: Áp lực hoặc ứng lực nội bộ phát sinh trong vật liệu do sự thay đổi nhiệt độ, áp suất hoặc các ràng buộc cơ khí, vượt quá khả năng chịu đựng của vật liệu tại điểm đó.
Nguyên nhân: Sốc nhiệt (thay đổi nhiệt độ quá nhanh), giãn nở nhiệt không đồng đều giữa các bộ phận làm bằng vật liệu khác nhau hoặc có nhiệt độ khác nhau (ví dụ: vỏ và bó ống dạng ống chùm), áp suất vượt quá giới hạn thiết kế, tăng áp suất đột ngột, ràng buộc cơ khí (lắp đặt ống cứng không có khả năng co giãn). Đặc biệt đáng lưu ý với ống chùm kiểu tấm ống cố định và các đoạn ống lồng ống/ống đôi dài không có biện pháp xử lý giãn nở nhiệt.
Hậu quả: Nứt vật liệu (thường tại các điểm tập trung ứng suất như mối hàn, góc), cong vênh, hỏng gioăng/mối nối, mỏi vật liệu sau nhiều chu kỳ ứng suất.
Cách phát hiện: Kiểm tra trực quan các vết nứt, biến dạng, rò rỉ. Thử áp suất.
Phòng ngừa: Lựa chọn loại bộ trao đổi nhiệt và kiểu thiết kế xử lý tốt giãn nở nhiệt (ống chùm kiểu đầu nổi/ống chữ U; dạng tấm ít bị ảnh hưởng giãn nở nhiệt giữa các tấm). Tuân thủ quy trình khởi động/dừng máy chậm rãi. Thiết kế theo đúng tiêu chuẩn áp suất/nhiệt độ. Lắp đặt hệ thống ống kết nối có khả năng co giãn (ví dụ: ống mềm, khớp nối giãn nở) đặc biệt quan trọng với ống lồng ống/ống đôi dài.
Cách khắc phục: Sửa chữa các vết nứt nhỏ (nếu cho phép), thay thế các bộ phận bị biến dạng hoặc nứt vỡ.
6. Xói mòn
Mô tả: Sự bào mòn vật liệu do dòng chảy có vận tốc cao hoặc chứa các hạt rắn mài mòn. Thường xảy ra ở các điểm dòng chảy đổi hướng hoặc va đập.
Nguyên nhân: Vận tốc dòng chảy quá cao vượt giới hạn khuyến cáo, sự có mặt của các hạt rắn (cát, cặn cứng) trong môi chất, thiết kế cổng vào/ra hoặc bộ phận hướng dòng không phù hợp gây va đập trực diện. Thường đi kèm với ăn mòn hóa học.
Hậu quả: Giảm độ dày thành vật liệu (ống, tấm, vỏ), gây thủng, hỏng hóc cấu trúc.
Cách phát hiện: Kiểm tra trực quan (bề mặt bị mòn, nhẵn bóng bất thường tại các điểm cụ thể), kiểm tra không phá hủy (UT đo chiều dày).
Phòng ngừa: Kiểm soát vận tốc dòng chảy trong giới hạn cho phép. Sử dụng vật liệu chịu xói mòn tốt hơn tại các khu vực nguy hiểm. Lắp đặt bộ lọc để loại bỏ hạt rắn. Thiết kế lại các bộ phận hướng dòng hoặc lắp đặt tấm chắn xói mòn tại cổng vào.
Cách khắc phục: Sửa chữa cục bộ (vá, hàn), thay thế các đoạn ống/tấm bị mòn nặng, lắp đặt tấm chắn xói mòn.
7. Đóng băng
Mô tả: Một trong hai dòng môi chất (thường là nước hoặc dung dịch gốc nước) đóng băng bên trong thiết bị.
Nguyên nhân: Nhiệt độ môi trường quá thấp (đặc biệt với bộ trao đổi nhiệt lắp ngoài trời), vận hành dòng môi chất dưới điểm đóng băng của nó (ví dụ: hệ thống làm lạnh sử dụng nước ở nhiệt độ gần 0°C), mất nguồn nhiệt làm nóng dòng chảy, không xả hết môi chất lỏng ra ngoài khi dừng máy trong điều kiện lạnh. Rất dễ xảy ra với các loại bộ trao đổi nhiệt sử dụng không khí làm môi chất và có nguy cơ ngưng tụ nước bên phía không khí lạnh (ví dụ: ống cánh, ống xoắn làm lạnh không khí), hoặc các loại có không gian khó thoát nước hoàn toàn (như ống lồng ống/ống đôi nếu lắp ngang không có dốc thoát nước).
Hậu quả: Sự nở ra của chất lỏng khi đóng băng tạo áp lực rất lớn, gây nứt, vỡ, phồng ống, tấm hoặc vỏ thiết bị.
Cách phát hiện: Giảm lưu lượng hoặc tắc nghẽn hoàn toàn, giảm hiệu suất, rò rỉ (sau khi bị vỡ), kiểm tra trực quan (ống/tấm bị biến dạng, nứt).
Phòng ngừa: Sử dụng chất lỏng chống đông (hỗn hợp glycol-nước) trong các hệ thống hoạt động ở nhiệt độ thấp. Đảm bảo xả hết môi chất lỏng ra ngoài khi dừng máy trong điều kiện lạnh (đặc biệt quan trọng với ống xoắn có hình dạng giữ nước hoặc ống lồng ống/ống đôi). Sử dụng hệ thống gia nhiệt phụ hoặc cách nhiệt. Giám sát nhiệt độ môi trường và đảm bảo lưu lượng tối thiểu qua thiết bị khi vận hành.
Cách khắc phục: Thường là thay thế các ống/tấm/bộ phận bị phá hủy do đóng băng. Sửa chữa thường không khả thi.
III. Tầm quan trọng của bảo trì định kỳ và giám sát tình trạng
Việc quản lý các vấn đề thường gặp một cách hiệu quả bắt nguồn từ một chương trình bảo trì chủ động và giám sát tình trạng tốt.
1. Bảo trì chủ động
Thay vì chờ sự cố xảy ra mới sửa chữa, bảo trì chủ động tập trung vào việc ngăn ngừa vấn đề. Bao gồm lên lịch kiểm tra, vệ sinh, thay thế các bộ phận có tuổi thọ giới hạn (như gioăng) dựa trên thời gian vận hành, điều kiện môi chất, hoặc khuyến cáo của nhà sản xuất.
2. Giám sát tình trạng
Thường xuyên (liên tục hoặc định kỳ) theo dõi các thông số vận hành chính như nhiệt độ đầu vào/đầu ra, sụt áp và lưu lượng. Sự thay đổi bất thường của các thông số này là "dấu hiệu sớm" cảnh báo các vấn đề như bám bẩn (sụt áp tăng, hiệu suất giảm), ăn mòn (xuất hiện kim loại trong môi chất, giảm chiều dày thành), hoặc rò rỉ (trộn lẫn môi chất, giảm áp suất).
3. Các hoạt động bảo trì chính
- Vệ sinh: Thực hiện theo lịch trình hoặc dựa trên giám sát tình trạng bám bẩn. Lựa chọn phương pháp phù hợp (cơ học, hóa học - CIP). Cần đặc biệt lưu ý phương pháp vệ sinh phù hợp với từng loại bộ trao đổi nhiệt (dễ dàng với dạng tấm, khó khăn hơn với ống chùm kiểu đầu cố định, tấm hàn, tấm xoắn ốc, ống xoắn, ống lồng ống/ống đôi).
- Kiểm tra: Kiểm tra trực quan bên ngoài và bên trong (khi có thể). Kiểm tra không phá hủy cho các bộ phận chịu áp lực hoặc quan trọng. Kiểm tra áp suất để phát hiện rò rỉ.
- Thay thế phụ tùng: Thay thế gioăng dạng tấm theo định kỳ khuyến cáo.
- Ghi chép lại tất cả các hoạt động bảo trì và kết quả giám sát.
Thiết bị trao đổi nhiệt là tài sản chiến lược trong mọi hệ thống công nghiệp và cần được quản lý đúng cách để duy trì hiệu suất và độ bền lâu dài. Hiểu rõ nguyên nhân, dấu hiệu và hậu quả của từng sự cố, cùng với các biện pháp phòng ngừa và khắc phục phù hợp theo từng loại thiết bị, là nền tảng để bảo vệ tài sản này hiệu quả. Việc triển khai chương trình bảo trì chủ động kết hợp giám sát liên tục sẽ giúp phát hiện sớm các dấu hiệu suy giảm, ngăn chặn hỏng hóc lan rộng, giảm thiểu thời gian dừng máy và tối ưu hóa tuổi thọ vận hành.
Bạn đang đối mặt với các vấn đề thường gặp ở thiết bị trao đổi nhiệt và cần sự hỗ trợ chuyên nghiệp? Hoặc bạn muốn xây dựng một kế hoạch bảo trì thiết bị trao đổi nhiệt? Hãy liên hệ ngay với Avil Việt Nam qua hotline 0919 007 133 (Mr Thuận) hoặc email sale@avil.vn để được tư vấn và hỗ trợ khắc phục sự cố!
Tìm hiểu thêm: Tối ưu hiệu suất thiết bị trao đổi nhiệt
