換熱器換熱管開裂原因分析及對策

曹亞熹李永華曹錦榮（.江蘇中圣高科技產(chǎn)業(yè)有限公司工程分公司 南京 0009）（.南京西門子電站自動化有限公司 南京 ）（.南京華興壓力容器制造有限公司 南京 4）

換熱器換熱管開裂原因分析及對策

曹亞熹1李永華2曹錦榮3
（1.江蘇中圣高科技產(chǎn)業(yè)有限公司工程分公司 南京 210009）
（2.南京西門子電站自動化有限公司 南京 211112）
（3.南京華興壓力容器制造有限公司 南京 211134）

針對一臺中壓換熱器換熱管在同一部位兩次產(chǎn)生多根環(huán)向開裂現(xiàn)象，本文通過以下三個方面進(jìn)行裂紋產(chǎn)生的原因分析：第一是脹管產(chǎn)生的換熱管軸向應(yīng)力計算；第二是工藝過程中熱量交換引起的物理腐蝕；第三是工藝介質(zhì)與換熱器的材料及拉應(yīng)力狀態(tài)三種條件匹配而產(chǎn)生的不銹鋼應(yīng)力腐蝕，從而認(rèn)為此現(xiàn)象是由特殊工況同作用時產(chǎn)生的組合腐蝕造成的。同時提出了從脹接的工藝次序、管程介質(zhì)硫含量的控制、選用其他的換熱管材料、換熱器結(jié)構(gòu)的改變等四個方面消除開裂的途徑，可供同行在類似設(shè)備設(shè)計和制造時借鑒。

換熱管 開裂 腐蝕

1　情況介紹

某化工廠一臺換熱器，特性參數(shù)見表1：

表1　特性參數(shù)

設(shè)備簡圖見圖1。該臺換熱器使用15天左右發(fā)現(xiàn)滲漏，后返壓力容器制造廠進(jìn)行全部更換換熱管處理，更換后的換熱器在化工廠使用20天左右又發(fā)現(xiàn)滲漏，然后再次返回壓力容器制造廠進(jìn)行試壓檢查，在注滿水后發(fā)現(xiàn)有兩根滲漏，位置在下管板上端面處向上約5～50mm處，形式以點狀、環(huán)形點狀滲漏為主。當(dāng)殼程水壓試驗壓力升至2.5MPa后就不斷有水從管內(nèi)流出。從解剖抽出的換熱管看，在同一層面有近60%的裂紋產(chǎn)生。由圖2可以看到裂紋為環(huán)向形走向，裂紋是脆性斷口，無塑性變形。 裂紋已經(jīng)穿透換熱管，管子內(nèi)側(cè)裂紋長度長，管子外側(cè)裂紋長度短，因此裂紋的起源應(yīng)在管子的內(nèi)側(cè)。另外還發(fā)現(xiàn)換熱管下管板處內(nèi)表面有點狀坑蝕，做PT時有紅點顯示。

圖1　設(shè)備簡圖

圖2　換熱管裂紋

2　分析

2.1應(yīng)力分析

從特性參數(shù)表可以看出，該臺設(shè)備換熱管與管板連接是強(qiáng)度焊加貼脹。經(jīng)查加工工藝，該工序的加工工藝是先焊后脹，脹接是采用液壓脹接技術(shù)。對于液壓脹接，脹后換熱管的長度會縮短，一端換熱管的縮短量ΔL關(guān)系式［1］如下：

式中：

Do——換熱管脹前外徑，mm；

Di——換熱管脹前內(nèi)徑，mm；

Do′——換熱管脹后外徑，mm；

Di′——換熱管脹后內(nèi)徑，mm；

L1——脹接長度，mm；

Dst——管板脹前內(nèi)徑，mm；

Ds′t——管板當(dāng)量套筒外徑，mm；

prc——脹后殘余接觸壓力，MPa；

E ——管板材料彈性模量，MPa；

pi——脹接壓力，MPa；

σst——管板屈服強(qiáng)度，MPa；

B——理論孔中心距，mm。

按本換熱器的數(shù)據(jù)代入，可計算出一端換熱管的縮短量：Do=19mm；Di=15mm；iD′=15.32mm；L1=107mm；Dst=19.3mm；E=2.06×105MPa；pi=170MPa；σst=295MPa；B=25mm。經(jīng)計算：η=0.4；=174.28mm；prc=-16.5MPa；Do′=19.32mm；ΔL=1.98mm。

由于換熱管與管板連接是先焊后脹，脹接后換熱管不會縮短，只有靠換熱管的拉伸變形來協(xié)調(diào)縮短量2ΔL（兩端）。按虎克定律，換熱管因脹接產(chǎn)生的軸向拉應(yīng)力為：

式中：

E1——換熱管材料彈性模量，MPa。

本預(yù)熱器中316L管材的E1=1.95×105MPa，則σ=171.6MPa。

該軸向拉應(yīng)力遠(yuǎn)大于換熱管內(nèi)壓引起的周向應(yīng)力（34MPa），這就能解釋為什么圖2的裂紋走向是環(huán)向的。

2.2能譜分析

管內(nèi)介質(zhì)是烯類液化氣，還有水和氧，一般液化氣中都含有硫，利用掃描電子顯微鏡X-ray微區(qū)能譜分析儀（EDAX，GENESIS2000X-ray能譜儀）對換熱管裂紋處的垢渣進(jìn)行微區(qū)成分分析，試驗結(jié)果見圖3。

圖3　垢渣的成分譜線

從圖3可以看出，硫的含量較高。當(dāng)工作介質(zhì)在200℃以上時，F(xiàn)eS在氧和水的作用下會產(chǎn)生連多硫酸（H2S4O6）， 連多硫酸在拉應(yīng)力狀態(tài)下，對不銹鋼會產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕。第2.1中分析了換熱管產(chǎn)生拉應(yīng)力的情況，圖2和圖4中的裂紋可以看出是應(yīng)力腐蝕裂紋。

圖4　金相分析

2.3操作狀態(tài)分析

換熱管內(nèi)介質(zhì)（液態(tài)）進(jìn)入熱量交換的地方是從下管板開始的，冷介質(zhì)遇熱產(chǎn)生氣泡，但在高壓下很快破裂，破裂時產(chǎn)生的沖擊使管子內(nèi)表面鈍化膜破壞，產(chǎn)生點蝕，引起應(yīng)力集中，為應(yīng)力腐蝕的產(chǎn)生作了鋪墊。隨著管內(nèi)介質(zhì)往上運行，介質(zhì)的溫度增高，氣蝕程度減少，至上管板處未發(fā)現(xiàn)點蝕，因此換熱管損壞是在下管板的上端面處，圖2是從下管板上端面處換熱管內(nèi)側(cè)拍到的照片，換熱管軸向內(nèi)側(cè)其他地方未發(fā)現(xiàn)點蝕現(xiàn)象。

3　對策

1）制造工藝控制。由于該設(shè)備的工況存在應(yīng)力腐蝕，最好不要進(jìn)行換熱管與管板的脹接，只用強(qiáng)度焊即可。若一定要脹接，則換熱管與管板連接的制造工藝應(yīng)改為：一端焊接→該端脹接→另一端脹接→另一端焊接，且換熱管的安裝長度要留收縮量。若為了防止液體縫隙腐蝕，可以采用下端脹接加焊接、上端僅焊接的工藝。

2）介質(zhì)的硫含量控制。對管程工作介質(zhì)液化氣的硫含量進(jìn)行控制，盡量采用低硫含量的液化氣，以減少產(chǎn)生連多硫酸的概率。

3）更換換熱管材料。更換換熱管的材料：采用雙相鋼S22053材料，因雙相鋼可以耐連多硫酸引起的應(yīng)力腐蝕。雙相鋼的許用應(yīng)力約是316L材料的3倍，使換熱管處于低應(yīng)力狀態(tài)下運行。同時對抗氣蝕的能力也有所增加。該臺換熱器第一次返回壓力容器制造廠進(jìn)行全部更換換熱管時，有意安裝3根S22053材料的換熱管，而再次返回壓力容器制造廠進(jìn)行試壓檢查時，該3根S22053材料的換熱管未發(fā)現(xiàn)滲漏也有一定的參考意義。

4）改變換熱器結(jié)構(gòu)。采用U形管式換熱器或浮頭式換熱器，可以消除管殼程溫差應(yīng)力和固定管板式換熱器因液壓脹接引起的換熱管軸向應(yīng)力。

［1］ 王曉輝.管子-管板液壓脹接管內(nèi)缺陷的產(chǎn)生機(jī)理及防止［J］.壓力容器，2014，31（11）：67-73.

［2］ 任凌波，任曉蕾.壓力容器腐蝕與控制［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2003.

［3］ 曹亞熹，曹錦榮.熱電廠高壓加熱器脹焊新工藝［J］.石油和化工設(shè)備，2009，12（6）：58-59.

［4］ 陳匡民.過程裝備腐蝕與防護(hù)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2001：49-50.

Cause Analysis of Tube Cracks in the Heat Exchanger and its Countermeasures

Cao Yaxi1Li Yonghua2Cao Jinrong3
(1. Jiangsu Sunpower Technology Co., Ltd Sunpower Engineering Nanjing 210009)
(2. Siemens power plant automation limited corporation Nanjing 211112)
(3. Nanjing Huaxing Pressure Vessel Manufacture CO., LTD Nanjing 211134)

For a circumferential crack phenomenon of heat transfer tube which appears twice at the same position in a medium-pressure heat exchanger, this paper analyzes from three aspects: the calculation of axial stress in heat transfer tubes produced by tube, physical corrosion caused by heat exchange in the process and stress corrosion of stainless steel caused by process media. So it is believed that this phenomenon is caused by the combined corrosion of the special working conditions. At the same time, it proposes the ways to reduce the corrosion such as the process sequence of expansion, the control of sulfur content in tube side media, the selection of other heat pipe materials and the change of preheater structure, etc. We hope the solutions could be reference in design and manufacture of similar equipments.

Heat transfer tube Crack Corrosion

X933.4

B

1673-257X（2016）07-0047-03

10.3969/j.issn.1673-257X.2016.07.012

曹亞熹（1987～），女，本科，助理工程師，從事壓力容器的設(shè)計與制造工作。
（

2015-11-01）