钎焊铝热交换器（BAHX），作为一种板翅式热交换器，其核心构造由紧密钎焊的波纹铝板精心组成。该热交换器不仅因其卓越的热效率、紧凑的结构设计、轻盈的材质和经济的成本（包括安装与运行成本）而备受推崇，更因其卓越的总体可靠性而在工业领域占有一席之地。特别地，BAHX在多个关键工艺中发挥着不可或缺的作用，如空气分离、天然气液化、氮气脱除、天然气液体回收、乙烯生产、氢气回收以及丙烷脱氢等。

BAHX的设计允许其同时处理多个工艺流，有时多达十几个甚至更多，这种特性使得它在空气分离工艺和其他低温系统中能够实现高效的工艺集成。特别是在存在低温工艺流差异的情况下，BAHX单位体积内相对较大的表面积为其带来了显著的优势。这种优势在低温系统和碳氢化合物露点控制系统中尤为明显，因为这些系统中的温差通常与压缩机的功率密切相关。

本文除了对BAHX的应用和功能进行详细介绍外，还将深入探讨与其操作相关的特性可靠性以及实际损害缓解技术的维护问题。这些内容对于确保BAHX在复杂工业环境中的稳定运行至关重要。

钎焊铝板翅式热交换器（BAHX）的结构独特，其核心由一系列交替排列的波纹翅片层（或称为通道块）构成，这些层被分隔板隔开，并通过侧条进行边缘密封。为了确保工艺流的顺畅流通，这些结构还配备了特定的入口和出口。顶部和底部则由盖板封闭，形成一个完整的热交换单元。如图1所示，这是一个多流板翅式BAHX的简单结构图。而在图2中，可以更详细地看到BAHX的不同组成部分，并了解到每个组件的特定命名方式。

在制造过程中，这些堆叠的组件会在真空炉中经过钎焊处理，形成坚固的刚性芯。随后，为了完善热交换器的功能，会将带有喷嘴的集管焊接到端口附近的侧条和分隔板上。

尽管BAHX设计精良，能够提供长久的使用寿命，但它们仍可能受到多种损坏机制的影响，其中最为显著的是热疲劳。本文将进一步探讨这些潜在的损坏机制，并强调操作和维护在延长BAHX寿命中的重要性。

BAHX的使用寿命在很大程度上取决于其在整个使用周期内的操作和维护情况，特别是金属温度梯度和工艺污染物的控制。如果遵循推荐的操作和维护指南，BAHX可以稳定运行长达40年或更长时间。然而，不当的过程控制可能导致设备在初始启动阶段就出现故障。

根据一些BAHX制造商的观察，行业对BAHX使用寿命的普遍预期约为20年。然而，许多BAHX最终因堵塞、结垢、清洁度问题、热应力/疲劳开裂损坏、结冰或水合物积聚造成的泄漏而提前退役。因此，确保BAHX保持清洁干燥，并避免有害的热梯度，是延长设备寿命的关键操作实践。

此外，本文还将简要介绍一些实用且有效的BAHX生命周期管理策略，这些策略旨在帮助用户更好地维护和管理他们的热交换器设备，从而确保设备的长期稳定运行。

图1：多流股铝制板翅式换热器

图2：铝制板翅式换热器细节图

某天然气厂遭遇了一起严重的BAHX故障事件，导致容器遭受重创，甲烷、乙烷、丙烷和其他多种碳氢化合物大量泄漏。泄漏的碳氢化合物迅速燃烧，进而引发了一系列火灾和爆炸，迫使工厂停产长达近六个月。事发时，两名夜班工人正在作业，幸运的是他们未受伤害。据事故调查报告指出，此次故障的可能原因是BAHX因热疲劳而破裂。

事故发生时，两个工艺流正在通过该BAHX，其中热流由进料气构成，而低温液流则来自脱甲烷塔。图3呈现了事故后BAHX系统中破裂位置的照片，图片的上半部分指出了可能最初发生泄漏的位置（位于北盖板和多个翅片层的部分），而下半部分则展示了两个破裂点，一个位于集管中，另一个在连接集管的管道上。这些位置被认为是在碳氢化合物从盖板区域释放后发生的进一步故障。

此次事件凸显了一个关键问题：缺乏有效程序来确保热交换器的机械完整性，特别是缺乏对金属温度波动影响的深入了解。一般而言，热疲劳会在BAHX中产生微小的裂纹，这些裂纹可能逐渐扩大并最终导致可检测的碳氢化合物泄漏。在大多数情况下，这些早期泄漏可以在演变为严重泄漏或灾难性破裂之前，以较小的成本和后果得到修复。

然而，2016年6月的这起事件以及近期发生的另外四起BAHX故障案例表明，依赖于泄漏前进行修复的假设在BAHX中并不总是适用。在此特殊案例中，后续的故障调查建议，中游天然气工厂的运营商不应仅仅假设小泄漏总是会发展为更大的破裂，而应评估和管理那些由热疲劳引起的、可能突然且灾难性破裂的BAHX故障场景的风险。

事故发生后，对故障BAHX的详细检查揭示了多个位置存在与服务相关的热疲劳损伤迹象，这些损伤是在装置长达17年的运行历史中逐渐累积的。综合冶金调查、工艺数据和物理证据，化学安全委员会（CSB）确定了热疲劳裂纹是导致故障的根本原因。这些裂纹使得活动通道（层）中的工艺流体泄漏至堵塞的通道，同时削弱了翅片与分型板之间的钎焊接头。

在排除了其他几种已知的潜在损坏机制后，预计最有可能的故障场景是热疲劳裂纹导致了工艺流体泄漏至热交换器的外层。由于这些外层区域可能因修补焊缝的不充分而堵塞，且在先前修复热疲劳引起的裂纹损伤后没有设置泄压口，BAHX的外部区域压力异常升高，最终导致了灾难性的破裂（特别是在盖板上）。这一发现强调了热疲劳对BAHX长期稳定运行的潜在威胁，并强调了定期检查、及时维护和修复的重要性。

综上所述，BAHX盖板失效的关键过程如下：

热交换器内部存在阻塞，这些阻塞层附近的分型板中逐渐形成了热疲劳裂纹（如图4所示）。随着裂纹的扩展，至少一层与热交换器核心之间产生了分离。当阻塞层中的流体受热膨胀时，由于没有适当的通风或排水通道，积聚的液体无法轻易从堵塞层中排出，最终导致了盖板承受过大的压力并失效。

图4：不同层之间分型板的热疲劳裂纹示例

某天然气厂铝制板翅式换热器泄漏故障图

铝合金在低温环境下确实展现出比典型碳钢更高的抗拉强度，但其一个显著的弱点是容易因疲劳而开裂和失效。在理想设计的BAHX中，工艺流之间的温差以及内部的金属温度梯度通常不会导致过度有害的热应力。然而，一旦工艺流的流速、温度或成分发生变化，传热量就会随之波动，金属温差可能会变得更为显著和有害。

BAHX的各个组成部分（如翅片矩阵、分型板、侧杆等）紧密相连，但它们的厚度各不相同。较厚的铝部件在温度变化时反应较慢，而较薄的部件则反应较快。当温度变化速率差异显著时，铝部件之间会相互推挤或拉开，从而在连接处产生高应力。这种持续的拉伸和压缩循环会导致金属变形，进而产生热疲劳裂纹。这些裂纹可能使工艺流体泄漏至大气中或交换器内的其他层。

热冲击是热疲劳裂纹的一种极端形式，它发生在短时间内因差异膨胀或收缩而产生显著且不均匀的热应力时。热冲击通常与冷流体接触热金属表面相关。除了对翅片基体产生影响外，热冲击还会削弱翅片与分型/盖板之间的钎焊接头。当这些接头因热冲击而变弱并失效时，相邻接头上的力/应力会增加，可能导致连锁反应，最终导致交换器压力边界的突然破裂。

尽管热疲劳和热冲击可能导致可检测的微小泄漏，但在某些情况下，它们也可能引发不可预测的灾难性破裂，如之前所述的故障案例所示。图6展示了BAHX中通常容易出现热疲劳损伤的区域，即侧杆/连接板与盖板的交界处。在此处，较厚的铝部件（如侧杆和连接板）与较薄的盖板之间存在厚度不匹配。在这些部件交汇的地方，由于热应力的增加和消除，最终会导致热疲劳裂纹的萌生和扩展。

图 7：单芯、模块化和电池 BAHX 组件的示例。

BAHX在工业气体加工、低温分馏和石化等多个行业中发挥着重要作用。尽管它拥有如优良传热性能和紧凑设计等诸多优势，但工厂可靠性和维护团队仍需深入理解影响BAHX组件的主要损坏机制。这些机制包括热疲劳、汞污染引发的汞合金腐蚀以及潜在的液态金属脆化现象。特别值得注意的是，导致结垢或堵塞的操作条件，它们可能极大地加剧压降并增加流量分布不均的风险。

为了确保BAHX的长期安全和可靠性，关键在于识别和缓解这些常见的损坏机制及不利的操作条件。污染物过滤和高效的脱水系统是实现BAHX稳定运行的关键要素。建立并维护适当的监控体系（IOW），定期检测不同工艺条件，如工艺温度波动、压降、汞含量等，是保障BAHX机械完整性计划的重要组成部分。

此外，建议对已知问题区域和关键焊接点或连接处进行持续检查，特别是在出现任何工艺故障后，要进行详尽的泄漏检测，以全面管理风险。虽然BAHX可能会因小裂缝而导致泄漏，但我们必须认识到，在某些情况下，这些裂缝也可能引发灾难性的破裂，正如本文所强调的。

综上所述，按照行业最佳实践进行BAHX的设计、检查和维护，是防止重大且成本高昂的组件过早失效的首要措施。这不仅能确保设备的高效运行，还能保障工作人员的安全，并为企业带来长期的经济利益。