換熱管與管板焊接結(jié)構(gòu)改變引起設(shè)備泄漏的原因分析

邱兆蓉

（四川省特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院，四川 成都 610061）

1 事由和經(jīng)過(guò)

國(guó)內(nèi)某國(guó)際機(jī)場(chǎng)新建候機(jī)大樓中央空調(diào)系統(tǒng)的熱交換器由某國(guó)外公司提供，安裝由國(guó)內(nèi)某安裝單位負(fù)責(zé)，業(yè)主聘請(qǐng)了監(jiān)理公司負(fù)責(zé)工程監(jiān)理。由于特種設(shè)備進(jìn)口許可證方面的原因，外方同意按其提供的符合中國(guó)規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)要求的設(shè)計(jì)圖紙，由國(guó)內(nèi)某制造廠代其制造熱交換器，外方對(duì)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、制造、安裝調(diào)試指導(dǎo)及運(yùn)行保修負(fù)全責(zé)。

該批共六臺(tái)熱交換器運(yùn)到安裝現(xiàn)場(chǎng)后，經(jīng)過(guò)了各方代表的共同驗(yàn)收，當(dāng)?shù)貦z驗(yàn)檢測(cè)機(jī)構(gòu)也對(duì)設(shè)備進(jìn)行了安全性能檢驗(yàn)和耐壓試驗(yàn)。系統(tǒng)設(shè)備安裝完成后，按規(guī)定進(jìn)行水系統(tǒng)管路循環(huán)調(diào)試時(shí)，發(fā)現(xiàn)該批熱交換器有泄漏情況，致使安裝工程部分停工，拖后了整個(gè)機(jī)場(chǎng)擴(kuò)建工程的工期，造成較大的經(jīng)濟(jì)損失和社會(huì)影響。

對(duì)于產(chǎn)生泄漏的原因，外方認(rèn)為是安裝單位在安裝過(guò)程中對(duì)設(shè)備造成了損壞而導(dǎo)致的泄漏，因?yàn)樵O(shè)備是經(jīng)過(guò)各方的驗(yàn)收和檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)的檢驗(yàn)及耐壓試驗(yàn)的，表明該批設(shè)備在設(shè)計(jì)、制造、運(yùn)輸?shù)确矫鏇](méi)有問(wèn)題。而安裝單位則認(rèn)為是設(shè)備本身的質(zhì)量問(wèn)題造成的，理由是整個(gè)安裝調(diào)試過(guò)程均在外方人員指導(dǎo)下，嚴(yán)格按照工藝技術(shù)要求進(jìn)行的，并得到了外方及監(jiān)理單位認(rèn)可，沒(méi)有損壞設(shè)備的情況。雙方對(duì)此爭(zhēng)執(zhí)不下，故決定委托國(guó)際和國(guó)內(nèi)檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)共同鑒定檢驗(yàn)該批設(shè)備，以確定泄漏原因和明確責(zé)任方。受外方和業(yè)主的委托，四川省特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院和某國(guó)外檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)共同對(duì)該批設(shè)備進(jìn)行鑒定檢驗(yàn)。

2 鑒定設(shè)備參數(shù)

熱交換器示意如圖1所示，產(chǎn)品圖號(hào)8201-901A；產(chǎn)品編號(hào) 3705-1#～6#；產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn) GB150、GB151；產(chǎn)品規(guī)格 φ450×1857×5（Do×L×δ）；筒體材質(zhì)20g；管板材質(zhì) AISI 316L；換熱管材質(zhì) AISI 316L（φ15×1）；換熱管與管板連接形式為焊接加脹接；折流板間距450 mm（共三塊弓形折流板）；安裝型式為立式；補(bǔ)償型式為波型膨脹節(jié)。熱交換器工作參數(shù)如表1所示。

圖1 熱交換器示意

表1 熱交換器工作參數(shù)

3 鑒定檢驗(yàn)項(xiàng)目

經(jīng)雙方檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)協(xié)商，先進(jìn)行下列項(xiàng)目的檢驗(yàn)，視情況再協(xié)商。

a.產(chǎn)品圖紙及技術(shù)資料審查；b.外觀檢驗(yàn)；c.換熱管與管板連接焊縫表面無(wú)損檢測(cè)（滲透）；d.熱交換器殼程耐壓試驗(yàn)（水壓）；e.熱交換器解剖檢驗(yàn)，必要時(shí)可進(jìn)行斷口分析和金相檢驗(yàn)。

4 鑒定檢驗(yàn)情況和結(jié)果

（1）經(jīng)確認(rèn)，調(diào)試時(shí)循環(huán)水壓力 0.35～0.7 MPa，調(diào)試時(shí)間約80 min發(fā)現(xiàn)熱交換器泄漏。

（2）對(duì)熱交換器的隨機(jī)圖紙、技術(shù)資料進(jìn)行審查，發(fā)現(xiàn)隨機(jī)圖紙（竣工圖）與事前經(jīng)中外雙方共同確認(rèn)的產(chǎn)品圖樣（圖號(hào)：8201-901A）有所不同，換熱管與管板的連接結(jié)構(gòu)由焊接加脹接形式改變?yōu)閱魏附有问?，隨機(jī)技術(shù)資料也無(wú)脹接記錄和證明。

（3）對(duì)熱交換器進(jìn)行外觀檢查，外部保溫層完好，無(wú)外力致?lián)p痕跡；上下管板與換熱管連接焊縫未見(jiàn)裂紋等可導(dǎo)致泄漏的宏觀缺陷；換熱管目視檢查未見(jiàn)外力引起的變形及破裂等情況，也未見(jiàn)管內(nèi)有泄漏的痕跡。

（4）對(duì)熱交換器上下管板與換熱管連接焊縫進(jìn)行100%滲透檢測(cè)，未見(jiàn)焊縫上有裂紋等可導(dǎo)致泄漏的缺陷。

（5）對(duì)熱交換器進(jìn)行殼程水壓試驗(yàn)，其中，1#和2#熱交換器未見(jiàn)泄漏，而3#、4#、5#和6#熱交換器在注水時(shí)，即在上管板與換熱管連接焊縫的管內(nèi)側(cè)熔合線附近出現(xiàn)多處滲漏，升壓到 0.5～0.8 MPa即出現(xiàn)大量泄漏，停止試驗(yàn)。發(fā)生泄漏的換熱管方位均位于出水口對(duì)面靠外側(cè)的三排換熱管（見(jiàn)圖2），在泄漏處均發(fā)現(xiàn)環(huán)狀裂紋（見(jiàn)圖2）。

（6）對(duì)3#熱交換器進(jìn)行解剖檢驗(yàn)，換熱管未見(jiàn)外力引起的變形及破裂等情況；截取4根換熱管試樣（見(jiàn)圖3）進(jìn)行檢查；試樣均可從管板上輕易抽出，均已在焊縫熔合線附近發(fā)生環(huán)狀斷裂，試樣管端未見(jiàn)脹接痕跡。經(jīng)檢查，因弓形折流板設(shè)置及在折流板缺口區(qū)布管的原故，致使出水口對(duì)面靠外側(cè)的三排換熱管僅有一塊折流板在兩管板間支撐（見(jiàn)圖4），其實(shí)際支承間距達(dá)900 mm，超出圖樣標(biāo)注值1倍。

5 鑒定檢驗(yàn)結(jié)果

（1）經(jīng)檢驗(yàn)，提供鑒定的該6臺(tái)熱交換器的管板與換熱管的連接結(jié)構(gòu)不符合產(chǎn)品圖樣（圖號(hào)：8201-901A）的規(guī)定，未采用焊接加脹接的形式，而是采用單焊接的形式，產(chǎn)品質(zhì)量不符合圖樣要求。

（2）熱交換器折流板的設(shè)置和換熱管布管不合理，導(dǎo)致部分折流板缺口區(qū)的管束實(shí)際跨距增大了1倍。進(jìn)行水系統(tǒng)管路循環(huán)調(diào)試時(shí)，在橫向流動(dòng)介質(zhì)的作用下，使這部分跨距過(guò)大的管束產(chǎn)生了流體誘導(dǎo)振動(dòng)。

（3）由于管板與換熱管的連接未進(jìn)行脹接，管束的振動(dòng)直接傳遞作用于焊接接頭上，使部分換熱管在接頭熔合線附近的熱影響區(qū)產(chǎn)生裂紋，繼而發(fā)生開(kāi)裂直至斷裂，導(dǎo)致熱交換器泄漏。

圖2 泄漏點(diǎn)示意

圖3 截取位置示意

圖4 折流板示意

6 分析

（1）該批熱交換器未按產(chǎn)品圖樣和技術(shù)要求進(jìn)行制造，換熱管與管板的連接結(jié)構(gòu)由焊接加脹接形式改變?yōu)閱魏附有问健ｋm然，制造廠和檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)都進(jìn)行過(guò)水壓試驗(yàn)且均未發(fā)生泄漏，但是水壓試驗(yàn)是在靜態(tài)介質(zhì)的情況下進(jìn)行的，僅表明該單焊接形式的接頭可承受相應(yīng)的靜載荷，并不能證明在動(dòng)態(tài)介質(zhì)調(diào)試或運(yùn)行狀況下接頭也不會(huì)發(fā)生損壞。設(shè)計(jì)要求采用焊接加脹接的連接結(jié)構(gòu)形式是出于對(duì)運(yùn)行工況的綜合考慮。其一，小直徑薄壁管與管板的焊接相對(duì)較難，形成的焊縫尺寸較小，強(qiáng)度不易保證，承受振動(dòng)或疲勞載荷的性能差。脹接既可起到加強(qiáng)換熱管管端固定，提高管束振動(dòng)的固有頻率的作用，又可避免振動(dòng)或疲勞載荷直接作用于焊接接頭上，從而提高結(jié)構(gòu)的承載能力。其二，焊接接頭熔合線附近熱影響區(qū)材料韌性下降，是整個(gè)接頭的最薄弱部位。如果僅采用單焊接結(jié)構(gòu)形式，由于無(wú)法避免振動(dòng)或疲勞載荷直接作用于焊接接頭上，運(yùn)行時(shí)在該區(qū)域產(chǎn)生裂紋甚至開(kāi)裂是必然的結(jié)果，只有產(chǎn)生時(shí)間早遲的區(qū)別。故設(shè)計(jì)選用焊接加脹接的結(jié)構(gòu)形式是合理的，其目的就是使接頭適應(yīng)承受振動(dòng)或疲勞載荷的場(chǎng)合，而制造和檢驗(yàn)中則顯然忽略了這個(gè)因素。因此，在換熱器制造過(guò)程中，對(duì)換熱管與管板連接結(jié)構(gòu)的改動(dòng)都必須謹(jǐn)慎，需考慮的因素較多，必須征得設(shè)計(jì)人員的同意。同時(shí)，在換熱器的檢驗(yàn)中，檢驗(yàn)人員對(duì)此也應(yīng)有清楚的認(rèn)識(shí)，應(yīng)該作為重點(diǎn)檢查內(nèi)容加以重視。

（2）該批熱交換器的折流板設(shè)置及換熱管布管不合理，致使部分換熱管束的實(shí)際跨距超出圖標(biāo)注值1倍，也是引發(fā)設(shè)備損壞和泄漏的一個(gè)重要的原因。當(dāng)設(shè)計(jì)上遇到可能產(chǎn)生振動(dòng)的情況時(shí)，一般是在滿足介質(zhì)流速的前提下，適當(dāng)增加折流板的數(shù)量、減少折流板間距，從而提高管束振動(dòng)的固有頻率，降低振動(dòng)的傾向性。因此，設(shè)計(jì)時(shí)合理設(shè)置折流板數(shù)量，盡量不在折流板缺口區(qū)布管，使所有管束都能得到折流板的有效支撐，避免產(chǎn)生流體誘導(dǎo)振動(dòng)，也可有效防止類(lèi)似情況的發(fā)生。

7 結(jié)論

通過(guò)本案例的介紹，對(duì)參與換熱器設(shè)計(jì)、制造、安裝和監(jiān)檢等各環(huán)節(jié)的人員都可從中得到啟示，那就是不能忽視每一處不符合或更改所帶來(lái)的影響。有些看似很小而被忽視了的因素，可能正是導(dǎo)致重大設(shè)備損壞或安全事故的原因。