換熱器管板應(yīng)力開裂問題分析

郭莉

（濟鋼集團國際工程技術(shù)有限公司，山東 濟南 250101）

換熱器管板應(yīng)力開裂問題分析

郭莉

（濟鋼集團國際工程技術(shù)有限公司，山東 濟南 250101）

某鋼廠固定管板式換熱器換熱管與箱體管板焊縫多次出現(xiàn)開裂泄漏，復(fù)合管板存在分層現(xiàn)象，分析表明，原因為換熱管與箱體壁板之間在開停車時的溫差應(yīng)力過大引起，熱應(yīng)力引起裂紋。從工藝操作上盡量減小開停車時換熱器冷熱側(cè)介質(zhì)的溫差，采用換熱器管板下浮動技術(shù)，通過加設(shè)膨脹節(jié)，避免了應(yīng)力開裂。

換熱器管板；溫差應(yīng)力；腐蝕開裂

某鋼廠大型固定管板式換熱器投運1 a后，換熱器管板角焊縫多次出現(xiàn)泄漏情況，管板的復(fù)合層和基層有局部脫離的情況。換熱器管板兩端漏點較多，管板復(fù)合層和基層分離的部位在中間。通過查看現(xiàn)場，發(fā)現(xiàn)泄漏點是在換熱管與管板連接的焊縫處。換熱器泄漏造成了脫硫項目的非正常停車，給生產(chǎn)和環(huán)保帶來極大的壓力。分析換熱器管板角焊縫泄漏的原因，通過加設(shè)膨脹節(jié)，合理調(diào)整開停車制度，成功避免了應(yīng)力開裂的出現(xiàn)。

1 開裂原因分析

可能造成換熱器管板角焊縫產(chǎn)生泄漏問題的原因有：1）熱應(yīng)力引起的裂紋；2）下管板脹接段出現(xiàn)腐蝕性漏點；3）翅片管在焊制過程中產(chǎn)生的對管壁的熔透性缺陷；4）換熱管自身或成型過程形成的缺陷；5）應(yīng)力腐蝕引起的焊縫開裂。由于該換熱器在項目投運后，短期內(nèi)出現(xiàn)過管板角焊縫泄漏的情況，對該區(qū)泄漏的換熱管角焊縫實施了補焊。此次出現(xiàn)泄漏，對照以上可能出現(xiàn)泄漏問題的原因，排除其他原因的可能性，認(rèn)為熱應(yīng)力引起裂紋的可能性最大。

熱應(yīng)力導(dǎo)致?lián)Q熱管角焊縫開裂的原因：1）制造過程中焊條選用不合適；2）該換熱管角焊縫焊角高度不夠；3）溫差應(yīng)力大于焊縫許用應(yīng)力。該設(shè)備作為項目重要工藝設(shè)備，在制造過程中實施了全過程監(jiān)制，故前2個原因造成焊縫開裂的可能性極小。通過查閱管板換熱器的運行記錄，發(fā)現(xiàn)換熱器的煙氣側(cè)存在長時間超溫運行情況。結(jié)合現(xiàn)場情況，發(fā)現(xiàn)靠壁側(cè)換熱管變形嚴(yán)重，確認(rèn)超溫引起的換熱管溫差應(yīng)力過大是主要原因。換熱器管板兩端漏點較多，管板復(fù)合層和基層分離的情況出現(xiàn)在中間，進一步證明了換熱器換熱管與箱體壁板之間的溫差應(yīng)力存在過大的可能。

換熱器壁板的加強筋尺寸為110 mm×55 mm×10 mm，貫通上下管板，外至保溫層。分析認(rèn)為，該加強筋嚴(yán)重限制了箱體壁板與換熱管之間的同步膨脹，造成了局部管板與換熱管的強力拉脫現(xiàn)象，形成泄漏。按照GB 151-1999（鋼制管殼式換熱器）關(guān)于對復(fù)合管板的規(guī)定，換熱管與管板之間的連接結(jié)構(gòu)應(yīng)該采用復(fù)合層和基層都開槽的形式，然后采用強度脹加強度焊連接的方式。此換熱器復(fù)合管板的基層和復(fù)合層上沒有開槽，也沒有采用強度脹，而是采用貼脹加強度焊的連接方式，不符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定要求。

為進一步確定溫差應(yīng)力對管板角焊縫的應(yīng)力影響程度，對上述結(jié)構(gòu)的模型進行了運行狀態(tài)下不同溫差的膨脹量計算。通過模擬正常開車、常溫運行和突然停車時的參數(shù)，計算出換熱管和無加強筋壁板的膨脹量之差。從計算數(shù)據(jù)看，使換熱管和壁板產(chǎn)生最大膨脹應(yīng)力的情況，正是在突然開車和停車的情況下產(chǎn)生的。而換熱器正常運行時，換熱管與壁板的膨脹差近乎可以忽略。產(chǎn)生該現(xiàn)象的原因是，100℃時不銹鋼的線膨脹系數(shù)為16.84×10-6℃-1，而碳鋼的線膨脹系數(shù)為10.76×10-6℃-1。對自然膨脹量的計算結(jié)果同時表明，不銹鋼換熱管在管壁最高溫度為120℃時，其自然膨脹量達到8 mm，若碳鋼壁板在加強筋的作用下不能同步膨脹，則兩者的膨脹差遠(yuǎn)超過計算的最大結(jié)果。該計算結(jié)果表明，開、停車時的升溫、降溫速率會直接影響溫差應(yīng)力的大小。

2解決方案

首先，從工藝操作上盡量減小開停車時換熱器冷熱側(cè)介質(zhì)的溫差。根據(jù)溫差應(yīng)力的計算結(jié)果，在開車升溫時，換熱管內(nèi)冷側(cè)液體和煙側(cè)的溫差不要超過20℃；停車降溫時，煙道煙氣和換熱管內(nèi)胺液之間的溫差不超過10℃。由于冷側(cè)液體和熱側(cè)煙氣溫度都有儀表數(shù)字顯示，所以從實際操作方面，實現(xiàn)溫差控制是可行的。

其次，從根本上解決溫差應(yīng)力問題的存在，即大型設(shè)備的熱補償與穩(wěn)定技術(shù)的平衡問題。在經(jīng)過反復(fù)核算后，采用了在大型設(shè)備上很少采用的浮動膨脹加框架穩(wěn)定結(jié)構(gòu)技術(shù)。計算浮動端設(shè)備重量載荷、持液量引起的下浮動端載荷，均布到換熱管之后，對單根換熱管產(chǎn)生的應(yīng)力非常小，可以忽略不計。決定采用換熱器管板的下浮動技術(shù)，即將下端管板附近箱體斷開，加設(shè)膨脹節(jié)。受拉載荷為下部管板、封頭、配管及持液靜載荷。該載荷分布到所有換熱管上的均布載荷較小，使上、下管板的角焊縫均承受輕微的拉應(yīng)力，該方案有效保護了復(fù)合管板的復(fù)合層與基層不分離。加設(shè)膨脹節(jié)后，浮動端箱體承受介質(zhì)橫向沖擊載荷的能力降低，可能會加劇管束振動。為此，從換熱器的耳座向上，用型鋼延伸形成自由立柱，與箱體內(nèi)2層內(nèi)部支撐板連接，使箱體形成一個穩(wěn)定的框架結(jié)構(gòu)，消除了箱體的振動。

3 改進效果

本次改造從結(jié)構(gòu)上徹底消除了換熱器殼體和換熱管內(nèi)的溫差應(yīng)力，同時從操作上減小了開停車過程中冷熱側(cè)流體的溫差，規(guī)避大溫差形成的操作條件，設(shè)備運行的可靠性得到提高。該固定管板換熱器經(jīng)過以上改造后，于2009年8月運行投產(chǎn)，2 a來沒再出現(xiàn)過換熱管角焊縫泄漏的情況。

TK172

B

1004-4620（2011）04-0080-01

2011-05-23

郭莉，女，1970年生，1992年畢業(yè)于山東建筑大學(xué)建筑環(huán)境與設(shè)備工程專業(yè)?，F(xiàn)為濟鋼集團國際工程技術(shù)有限公司工程師，從事暖通設(shè)計工作。