導入
熱交換器熱交換器は、化学処理、発電、冷蔵、食品加工など、様々な業界で広く使用されている重要な機器です。異なる温度の2つ以上の流体間で熱を伝達し、プロセス効率とエネルギー消費において重要な役割を果たします。しかし、他の機械設備と同様に、熱交換器も経年劣化により様々な動作不良が発生する可能性があります。これらの潜在的な問題を理解し、それらを検出・診断する方法、そして効果的な清掃・メンテナンス戦略を策定することは、熱交換器の長期的な信頼性と最適な性能を確保する上で不可欠です。
一般的な熱交換器の種類
シェルアンドチューブ熱交換器
シェル・アンド・チューブ型熱交換器は、最も一般的なタイプの一つです。円筒形のシェルに収められたチューブの束で構成されています。一方の流体はチューブ内（チューブ側）を流れ、もう一方の流体はチューブの外側、シェル内（シェル側）を流れます。この熱交換器は、堅牢な構造のため、高圧・高温の用途に適しています。
プレート式熱交換器
プレート式熱交換器薄い波形の金属板を複数枚重ねて構成されています。流体は板の間を交互に流れるため、コンパクトなスペースで広い伝熱面積を確保できます。非常に効率が高く、乳製品や飲料業界など、高い伝熱率が求められる用途でよく使用されます。
溶接プレート式熱交換器
溶接プレート熱交換器プレートを複数枚使用していますが、モジュール式の設計になっているため、簡単に分解して洗浄できます。
スパイラル熱交換器
スパイラル熱交換器は、螺旋状に巻かれた金属板によって形成された2つの流路で構成されています。スパイラル構造により汚れの発生を抑えるため、粘性流体や汚れた流体の処理に効果的です。
空冷式熱交換器
In 空冷式熱交換器冷却媒体として空気が用いられます。一部の工業プラントや自動車のラジエーターなど、水が不足していたり、水が高価な環境で広く使用されています。
熱交換器の一般的な動作不良
ファウリング
ファウリングは熱交換器において最も発生しやすい問題の一つです。これは、伝熱面に不要な物質が蓄積することを意味します。これらの物質には、スケール（流体中のミネラルが沈殿して形成される）、腐食生成物、生物の増殖（水系システムにおける藻類など）、浮遊物質などが含まれます。ファウリングは熱交換器の伝熱効率を低下させ、エネルギー消費量を増加させ、運用コストの上昇につながる可能性があります。例えば、発電所で使用されるシェルアンドチューブ式熱交換器では、チューブ表面にスケールが形成されると伝熱率が著しく低下し、蒸気生成量と発電効率が低下する可能性があります。
漏れ
熱交換器では、様々な原因で漏れが発生する可能性があります。シェルアンドチューブ式熱交換器では、チューブとチューブシートの接合部が、疲労、腐食、不適切な設置などにより、経年劣化により破損することがあります。プレート式熱交換器では、ガスケットの破損がよく発生し、これは経年劣化、締め付け過ぎ、あるいは流体による化学的侵食などによって引き起こされます。漏れは2種類の流体間の相互汚染につながる可能性があり、これは特に製薬業界のように製品の純度が極めて重要な用途では深刻な問題となります。さらに、漏れは貴重な流体の損失につながり、経済損失につながる可能性があります。
腐食
腐食は、熱交換器の寿命と性能に影響を与えるもう一つの重要な問題です。腐食には、均一腐食、孔食、隙間腐食など、様々な種類があります。均一腐食は、金属の表面全体が腐食性媒体によって均一に侵食されたときに発生します。一方、孔食は、金属表面に小さく深い穴が形成されるのが特徴です。隙間腐食は、ガスケットの下やチューブとチューブシートの接合部など、狭い隙間や裂け目がある場所でよく発生します。腐食は熱交換器の構造的完全性を弱め、漏れのリスクを高め、最終的には機器の故障につながります。
チューブの詰まり
シェル・アンド・チューブ式熱交換器では、チューブ内に堆積物、大きな粒子、または凝固物が蓄積することでチューブの閉塞が発生する可能性があります。これにより、チューブを通る流体の流れが制限され、伝熱面積と効率が低下します。また、チューブの閉塞はチューブ間の流量分布の不均一化を引き起こし、ホットスポットの発生につながり、熱交換器の劣化をさらに加速させる可能性があります。
熱伝達効率の低下
明らかな汚れ、漏れ、または閉塞がない場合でも、熱交換器の熱伝達効率は時間の経過とともに徐々に低下する可能性があります。これは、流体の特性（粘度、熱伝導率など）の変化、不適切な流量、あるいは高温または腐食性環境への長期曝露による熱伝達材料自体の熱伝導率の低下などの要因によって発生する可能性があります。
熱交換器の問題の検出と診断
温度と圧力の測定
高温流体と低温流体両方の入口と出口の温度と圧力を監視することは、熱交換器の問題を検出する最も基本的かつ効果的な方法の 1 つです。高温流体の入口と出口の温度差が大幅に増加したり、低温流体の温度差が減少したりすると、熱伝達効率が低下している可能性があり、これは汚れやチューブの詰まりが原因である可能性があります。同様に、熱交換器全体の圧力が突然低下した場合は漏れが発生している可能性があり、圧力損失が大幅に増加した場合は詰まりや過度の汚れが原因である可能性があります。たとえば、冷凍システムで使用されるプレート熱交換器では、熱交換器を出る冷媒の温度が通常よりも高く、熱交換器全体の圧力損失が増加している場合、熱交換器内に何らかの汚れや詰まりが発生している可能性があります。
目視検査
定期的な目視検査により、多くの明らかな問題を発見することができます。シェルアンドチューブ式熱交換器では、シェルの外側に濡れた箇所や腐食などの漏れの兆候がないか検査することが重要です。プレート式熱交換器では、ガスケットに亀裂や膨張などの損傷の兆候がないか確認することで、潜在的な漏れの問題を発見するのに役立ちます。目視検査では、熱交換器表面の腐食も特定できます。これは、より深刻な内部問題の兆候である可能性があります。しかし、目視検査には限界があり、分解しなければチューブやチャネル内の汚れや詰まりを検出することはできません。
流量監視
流体の流量を監視する熱交換器貴重な情報を提供します。通常の流量から大きく逸脱している場合は、詰まり、漏れ、またはポンプシステムの問題がある可能性があります。測定された流量を設計値と比較することで、オペレーターは潜在的な問題を早期に特定できます。例えば、シェルアンドチューブ式熱交換器における冷流体の流量が予想よりも低い場合、チューブの詰まり、入口バルブ、またはポンプの故障が原因である可能性があります。
化学分析
流体の化学分析は、汚れや腐食の原因となる汚染物質の存在を検出するのに役立ちます。流体中のpH値、溶解固形物含有量、特定の化学種の存在を分析することで、熱交換器の状態に関する知見が得られます。例えば、熱交換器の水系流体中のカルシウムイオンとマグネシウムイオンの濃度が高い場合、スケール形成の可能性を示唆している可能性があります。さらに、流体中の金属イオンの存在を分析することで、腐食の検出に役立ちます。金属イオンが流体中に放出されることは、金属の劣化の兆候です。
非破壊検査（NDT）
浸透探傷試験、超音波探傷試験、渦電流探傷試験、放射線透過試験などの非破壊検査方法は、機器に損傷を与えることなく熱交換器の内部問題を検出するために使用できます。超音波探傷試験は、熱交換器の金属壁の厚さを測定するために使用でき、腐食の検出に役立ちます。渦電流探傷試験は、シェルアンドチューブ式熱交換器のチューブのひび割れや減肉などの欠陥を検出するのに効果的です。放射線透過試験は、熱交換器の内部構造の詳細な画像を提供し、詰まりやその他の内部異常を検出することができます。
熱交換器の洗浄
機械洗浄
機械洗浄法では、汚れを伝熱面から物理的に除去します。シェルアンドチューブ式熱交換器の場合、チューブ洗浄ブラシ、スクレーパー、または高圧水ジェットを使用できます。チューブ洗浄ブラシをチューブに挿入して回転させ、汚れをこすり落とします。高圧水ジェットは、通常 1000 ～ 5000 psi の圧力で、頑固なスケールや破片を効果的に除去できます。プレート式熱交換器では、プレートを分解して、ブラシと洗剤を使用して表面を手作業で洗浄できます。機械洗浄は、ほとんどの種類の汚れを除去する簡単で効果的な方法ですが、非常に繊細な熱交換器コンポーネントや、複雑な形状で届きにくい汚れの除去には適さない場合があります。
化学洗浄
化学洗浄では、化学薬品を用いて汚れを溶解または反応させます。一般的な化学洗浄剤には、酸（塩酸、クエン酸など）、アルカリ（水酸化ナトリウムなど）、洗剤などがあります。例えば、酸は金属炭酸塩や金属水酸化物によって形成されたスケールを溶解するのに効果的です。しかし、酸を使用する場合は、熱交換器の金属表面を損傷しないように、濃度、温度、曝露時間を慎重に管理することが重要です。アルカリ性洗浄剤は、油やグリースなどの有機汚れの除去によく使用されます。化学洗浄は、複雑な汚れや深く根付いた汚れの除去において、機械洗浄よりも効果的ですが、安全性と環境基準を満たすために、化学薬品を適切に取り扱う必要があります。
オンラインクリーニング
オンライン洗浄方式では、熱交換器を運転中に洗浄することができます。一般的なオンライン洗浄方式の一つは、汚れを継続的に除去する機構を内蔵したセルフクリーニング熱交換器の使用です。例えば、一部のスパイラル熱交換器はセルフクリーニング機能を備えており、流体の流れによってプレートがわずかに振動することで汚れの蓄積を防ぎます。もう一つのオンライン洗浄方式は、流体の流れに洗浄剤を注入する方法です。この方法は、運転停止が許容されない用途に適していますが、汚れがひどい場合にはオフライン洗浄方式ほど効果的ではない場合があります。
熱交換器のメンテナンス
定期検査
検出と診断のセクションで説明したように、定期点検は計画された間隔で実施する必要があります。点検の頻度は、運転条件と熱交換器の重要度によって異なります。過酷な環境で運転される熱交換器や腐食性流体を扱う熱交換器の場合は、より頻繁な点検が必要になる場合があります。定期点検によって問題を早期に発見することで、高額な修理やダウンタイムを回避できます。
摩耗した部品の交換
プレート式熱交換器のガスケット、シェルアンドチューブ式熱交換器のチューブ、シールなど、熱交換器の部品は、時間の経過とともに摩耗したり損傷したりすることがあります。漏れを防ぎ、熱交換器の正常な機能を維持するために、これらの部品は速やかに交換する必要があります。部品を交換する際には、互換性と性能を確保するために、元の機器メーカーの仕様に適合した部品を使用することが重要です。
腐食防止
腐食を防ぐためには、様々な防食対策を講じることができます。例えば、熱交換器の構造にステンレス鋼やチタンなどの耐腐食性材料を使用することが挙げられます。さらに、金属表面にエポキシ樹脂コーティングや亜鉛系コーティングなどの保護コーティングを施すことで、保護層をさらに強化することができます。また、犠牲陽極や印加電流システムなどの陰極防食法も、特に腐食が深刻な懸念となる環境では、熱交換器を腐食から保護するために使用できます。
体液処理
熱交換器に入る前に流体を処理することで、汚れや腐食を防ぐことができます。水ベースの流体の場合、軟化、脱塩、腐食防止剤やスケール防止剤の添加などの水処理プロセスが使用できます。軟化処理は水からカルシウムイオンとマグネシウムイオンを除去し、スケール形成の可能性を低減します。脱塩処理は溶解したミネラルをすべて除去し、非常に純粋な水を提供します。腐食防止剤とスケール防止剤は、それぞれ腐食とスケール形成を防ぐために流体に添加される化学物質です。流体を適切に処理することで、熱交換器の寿命を延ばし、性能を維持することができます。
オペレーターのトレーニング
熱交換器の効果的なメンテナンスには、オペレーターの適切なトレーニングが不可欠です。オペレーターは、熱交換器の性能を監視し、潜在的な問題を検知し、目視検査や簡単な清掃手順といった基本的なメンテナンス作業を実行する方法についてトレーニングを受ける必要があります。また、化学物質の取り扱いや熱交換器のメンテナンスに関する安全手順にも精通している必要があります。十分にトレーニングを受けたオペレーターは、熱交換器の長期的な信頼性と効率的な運用を確保する上で重要な役割を果たすことができます。
結論
熱交換器は、多くの産業プロセスにおいて不可欠な装置です。汚れ、漏れ、腐食、チューブの詰まり、伝熱効率の低下といった一般的な運転上の不具合、そしてこれらの問題を検出・診断する方法を理解することは、熱交換器の性能を維持するための第一歩です。機械洗浄、化学洗浄、オンライン洗浄といった効果的な洗浄方法は、熱交換器の伝熱効率の回復に役立ちます。検査、部品交換、防食、流体処理、オペレーターのトレーニングといった定期的なメンテナンスは、熱交換器の長期的な信頼性と最適な性能を確保するために不可欠です。これらの包括的なトラブルシューティング、洗浄、メンテナンス戦略を実施することで、産業界はダウンタイムを最小限に抑え、運用コストを削減し、熱交換器の安全かつ効率的な運用を確保することができます。
投稿日時: 2025年6月17日