高壓蒸汽過熱器的失效分析及設(shè)計改進(jìn)

袁敏玥

（上海華誼集團(tuán)裝備工程有限公司）

高壓蒸汽過熱器的失效分析及設(shè)計改進(jìn)

袁敏玥*

（上海華誼集團(tuán)裝備工程有限公司）

對一臺高壓蒸汽過熱器的管子管板連接處焊縫頻繁發(fā)生滲漏的問題進(jìn)行了全面分析，并對設(shè)備的結(jié)構(gòu)、材料、焊接、檢驗、試驗等方面進(jìn)行了優(yōu)化和改進(jìn)。在高壓固定管板式換熱器設(shè)計過程中，壁溫是一個很重要的技術(shù)參數(shù)，應(yīng)予以足夠的重視。

高壓換熱器 壁溫 膨脹節(jié) 結(jié)構(gòu)設(shè)計 應(yīng)力 腐蝕

0 前言

換熱器是化工、石油、制藥、食品、航天等行業(yè)中熱量傳遞、節(jié)能減排工藝中的重要工藝設(shè)備。隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，近年來，高壓換熱器在合成氨、甲醇合成、乙烯裂解等化工生產(chǎn)中得到廣泛的應(yīng)用。在這些化工生產(chǎn)中設(shè)備運行的工藝條件相當(dāng)惡劣，壓力高達(dá)35 MPa，溫度高達(dá)700℃。在高溫高壓的嚴(yán)酷條件下，高壓換熱器設(shè)計時在選材、結(jié)構(gòu)、焊接、檢測、試驗等方面有許多需要注意的地方，既要確保設(shè)備的安全性，同時也要力求保證設(shè)備的合理性和有效性。

某化工廠內(nèi)一臺高壓換熱器（過熱器），在使用中其管子管板連接處的焊縫頻繁發(fā)生滲漏，多次造成被動停車，雖經(jīng)過了現(xiàn)場補(bǔ)焊、返修，但沒有從根本上解決問題，導(dǎo)致設(shè)備無法正常穩(wěn)定運行?，F(xiàn)對設(shè)備的泄漏原因進(jìn)行綜合分析，并在設(shè)計工藝參數(shù)、主要材質(zhì)、主體結(jié)構(gòu)和尺寸不變的情況下重新設(shè)計、制造，以替換原設(shè)備。

該設(shè)備的主要工藝流程為：利用氨合成塔出口的高溫工藝氣加熱副產(chǎn)飽和蒸汽為過熱蒸汽，提高副產(chǎn)蒸汽品質(zhì)，回收合成氣熱量，達(dá)到節(jié)能降耗的目的。具體操作工況為：氨合成塔出口高溫工藝氣走設(shè)備管程，廢熱鍋爐副產(chǎn)的飽和蒸汽走殼程，管殼程介質(zhì)換熱后，降低了溫度的工藝氣進(jìn)入廢鍋加熱鍋爐水，使之成副產(chǎn)飽和蒸汽，殼程的過熱蒸汽并入蒸汽管網(wǎng)向外輸送。

1 滲漏原因分析

通過對高壓換熱器的工藝參數(shù)、使用過程中曾出現(xiàn)的問題等進(jìn)行全面系統(tǒng)的分析，查找可能導(dǎo)致泄漏的原因。針對該設(shè)備管子與管板焊縫處多次滲漏且多次補(bǔ)焊無果的情況，對管子與管板的連接焊縫進(jìn)行了取樣和檢測，發(fā)現(xiàn)焊縫處存在裂紋。再對設(shè)備的整個管面進(jìn)行滲透檢測，發(fā)現(xiàn)在管板的邊緣部位有多處管子管板連接焊縫存在裂紋，而且原來返修補(bǔ)焊的焊縫也大多處在這個區(qū)域。根據(jù)檢測情況以及多次返修無果的情況初步判斷，可能是由于管殼程介質(zhì)的溫差較大，而換熱管材料和殼體材料的熱膨脹系數(shù)差異也很大，導(dǎo)致?lián)Q熱管和殼體的熱膨脹量差較大，從而使換熱管產(chǎn)生的軸向溫差應(yīng)力也相應(yīng)增大[1]。溫差應(yīng)力與工作壓力所產(chǎn)生的軸向應(yīng)力疊加后，可能使換熱管的軸向力過大，甚至超過管子與管板連接焊縫的許用應(yīng)力，長期運行后引起焊縫開裂，產(chǎn)生滲漏現(xiàn)象。

該設(shè)備是一臺固定管板式高壓換熱器，表1是該設(shè)備的設(shè)計工藝參數(shù)，表2是該設(shè)備的結(jié)構(gòu)參數(shù)。

為了評估壁溫差異對溫差應(yīng)力計算結(jié)果的影響，采用了兩種方法來確定筒體和換熱管的壁溫，然后采用過程設(shè)備強(qiáng)度計算軟件SW6進(jìn)行計算和對比。方法一是一種粗略的估算法，即取殼程進(jìn)出口溫度的平均值（276.5℃）作為筒體的壁溫，取管、殼程進(jìn)出口四個溫度的平均值（315.5℃）作為換熱管的壁溫。方法二是采用換熱器工藝計算軟件Aspen對筒體和換熱管的壁溫進(jìn)行精確計算的方法，通過計算得出筒體的壁溫為285℃，換熱管的壁溫為352℃。兩種方法計算結(jié)果詳見表3。

由表3可見，采用方法一計算的殼程與管程的平均溫差較小，在第2工況下，管板腐蝕前后換熱管的軸向應(yīng)力比其許用軸向應(yīng)力（76.11 MPa）要大許多，而在第4、6工況下，管板腐蝕前后換熱管的軸向應(yīng)力比其許用軸向應(yīng)力稍大。

表1 蒸汽過熱器設(shè)計工藝參數(shù)

表2 蒸汽過熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)

采用方法二計算的殼程與管程的平均溫差較大，在第2、4、6工況下，管板腐蝕后換熱管的軸向應(yīng)力分別為140 MPa、113.3 MPa、116.2 MPa，都遠(yuǎn)大于其許用軸向應(yīng)力76.11 MPa；在第2、4、6工況下，管板腐蝕前換熱管的軸向應(yīng)力分別為148.6 MPa、122.9 MPa、125.8 MPa，也都遠(yuǎn)大于其許用軸向應(yīng)力。

采用方法一得出的壁溫與設(shè)備的實際情況偏差較大，采用方法二得出的壁溫比較精準(zhǔn)，采用方法一計算得到的應(yīng)力要比采用方法二計算得到的應(yīng)力低得多。這就表示，正確的殼程和管程的壁溫，對于固定管板式換熱器的計算結(jié)果是非常重要的。只有確保殼程和管程的壁溫正確，才能計算出換熱器準(zhǔn)確的應(yīng)力情況，才能據(jù)此設(shè)計出安全可靠的換熱器。殼程和管程的壁溫不能采用方法一（粗略的估算）來計算，而必須采用方法二（用專業(yè)的換熱器工藝計算軟件）進(jìn)行計算。

表3 蒸汽過熱器不同壁溫下的換熱管軸向應(yīng)力

從表3的計算結(jié)果可以得出，該換熱器多次滲漏、返修無果的真正原因是其溫差應(yīng)力較大。或者說，是因為其殼體為碳鋼，換熱管為不銹鋼，不同材質(zhì)的線膨脹量差異大，導(dǎo)致了裂紋產(chǎn)生和泄漏。由于殼體和換熱管的壁溫溫差過大，管子與殼體間的熱膨脹量也相差很大，從而導(dǎo)致很大的溫差應(yīng)力。溫差應(yīng)力與工作壓力引起的應(yīng)力疊加，使得換熱管的軸向應(yīng)力過大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其許用軸向應(yīng)力，從而使管子與管板之間的連接焊縫在該工況下產(chǎn)生裂紋，導(dǎo)致泄漏。

2 解決方案

由于本設(shè)計的目的是在設(shè)備設(shè)計工藝參數(shù)、主要材料、主體結(jié)構(gòu)和尺寸不變的情況下進(jìn)行改進(jìn)，所以要解決軸向應(yīng)力超過許用應(yīng)力的問題。解決這一問題，只有提高軸向許用應(yīng)力或降低軸向?qū)嶋H應(yīng)力兩種方法。

軸向許用應(yīng)力是由換熱管材料的許用應(yīng)力和換熱管的穩(wěn)定許用應(yīng)力決定的，而換熱管的失穩(wěn)許用應(yīng)力與折流板的間距有關(guān)聯(lián)。折流板間距的減小能使換熱管受壓失穩(wěn)長度減小，在一定的范圍內(nèi)可以使換熱管在設(shè)計溫度下的穩(wěn)定許用應(yīng)力有所增加。對該設(shè)備調(diào)整折流板的間距，選取300 mm、250 mm、200 mm三種情況分別進(jìn)行計算。從計算結(jié)果看，此方法對降低換熱管的軸向應(yīng)力基本沒有效果。經(jīng)分析該方法無效的主要原因是：雖然折流板間距的減小能使換熱管的失穩(wěn)長度減小，但當(dāng)折流板間距減小到一定距離時，換熱管的穩(wěn)定許用應(yīng)力基本不會再增加。此外，折流板間距不斷減小，會使設(shè)備內(nèi)介質(zhì)的壓降不斷增加。壓力降的增加使得換熱器的磨蝕和振動破壞加劇，導(dǎo)致?lián)Q熱器在運行過程中的動力消耗增大[2]，且過大的壓力降對換熱器的運行也是一個不利因素。因此在該換熱器設(shè)計中，略微減小折流板間距對穩(wěn)定許用應(yīng)力的增加基本沒有作用。

由此可見，對于該設(shè)備要降低換熱管的軸向應(yīng)力，最有效的方法就是在殼體上增加膨脹節(jié)，以補(bǔ)償管束和殼體因管程和殼程溫差而引起的線膨脹量之差，從而解決換熱管軸向應(yīng)力過大的問題。

由于殼程設(shè)計溫度為390℃，設(shè)計壓力為4.3 MPa，壓力較高，超過了GB 16749—1997《壓力容器波形膨脹節(jié)》[3]標(biāo)準(zhǔn)上的公稱壓力，沒有標(biāo)準(zhǔn)型的膨脹節(jié)可以直接選用，因此需要為該換熱器專門設(shè)計一個非標(biāo)膨脹節(jié)。

首先，確定非標(biāo)膨脹節(jié)的各個參數(shù)。膨脹節(jié)波高的選取是按成形比（Dw/Do）確定的，成形比的大小是控制成形減薄量的重要參數(shù)，當(dāng)成形比Dw/Do=1.55~1.10時，膨脹節(jié)的實際減薄量比較接近成形減薄量。一般波高h(yuǎn)=（Dw-Do）/2，波距W=（0.8~1.2）h[4]。根據(jù)膨脹節(jié)加工工藝要求（圓弧半徑R要大于3倍膨脹節(jié)厚度等），通過SW6軟件的計算，反復(fù)調(diào)整膨脹節(jié)的各個參數(shù)，經(jīng)過多種方案的比較和優(yōu)化，設(shè)計出一個既能滿足膨脹節(jié)本身強(qiáng)度要求，又能滿足設(shè)備整體要求，且便于生產(chǎn)制造的非標(biāo)膨脹節(jié)（見圖1）。

增加膨脹節(jié)之后，經(jīng)過計算，在第2、4、6工況下，管板腐蝕后換熱管的軸向應(yīng)力分別降至3.726 MPa、9.462 MPa、26.87 MPa，均小于其許用軸向應(yīng)力；在第2、4、6工況下，換熱管的軸向應(yīng)力分別為3.623 MPa、8.743 MPa、26.3 MPa，也都小于其許用軸向應(yīng)力?？傊?，增加膨脹節(jié)之后，換熱管的軸向應(yīng)力、殼體的軸向應(yīng)力、管子與管板之間的拉脫力都在許用值范圍內(nèi)。從表2中可以得出，在設(shè)備工藝流程、參數(shù)等都不改變的情況下，膨脹節(jié)的選用對換熱管軸向應(yīng)力的下降起到了顯著的作用，可有效防止設(shè)備失效，保證設(shè)備設(shè)計的合理性、安全性。

3 其他改進(jìn)措施

除了根據(jù)計算在該設(shè)備上設(shè)置膨脹節(jié)，以減小換熱管的軸向應(yīng)力外，還在設(shè)備的原材料、加工制造和檢測等方面提出了相應(yīng)的措施，使設(shè)備在高溫、高壓的工況下能更可靠地運行。

3.1 原材料質(zhì)量的保證

（1）換熱管應(yīng)符合NB/T 47019.1~8—2011《鍋爐、熱交換器用管訂貨技術(shù)條件》中的規(guī)定，其中管子外徑允許偏差和壁厚允許偏差均按高級精度的規(guī)定，管子的壁厚按最小壁厚進(jìn)行交貨。

圖1 增加膨脹節(jié)后的換熱器

（2）換熱管應(yīng)經(jīng)過100%渦流檢測，檢測標(biāo)準(zhǔn)按照NB/T 47013—2015《承壓設(shè)備無損檢測》的規(guī)定。

（3）換熱管還應(yīng)逐根進(jìn)行水壓試驗，試驗壓力根據(jù)NB/T 47019.1~8—2011的要求進(jìn)行選擇。

（4）換熱管在制造加工時，兩端應(yīng)切除一定的長度，以去除管子制造拉拔時兩端的缺陷和渦流檢測的盲區(qū)。

3.2 提高設(shè)備的檢驗要求

（1）換熱管與管板的焊接選用手工氬弧焊或自動氬弧焊進(jìn)行焊接，并至少焊接2道。第1道焊接完畢后進(jìn)行泄漏檢測（檢測壓力取0.05~0.1 MPaG和設(shè)計壓力兩者中較小值），泄漏處必須徹底打磨修補(bǔ)后方可進(jìn)行第2道焊接。第2道焊縫的起弧位置與第1道焊縫的起弧位置錯開180°。最后一道焊完后，管板與換熱管之間的焊接接頭進(jìn)行100%滲透檢測，符合NB/T 47013—2015標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定中Ⅰ級合格。

（2）水壓試壓后，對殼程進(jìn)行氦泄漏試驗。根據(jù)HG/T 20584—2011《鋼制化工容器制造技術(shù)要求》的附錄B中的吸槍檢測模式，試驗壓力為0.4 MPa或設(shè)計壓力（取小值），氦氣分壓不小于0.1 MPa，保壓時間不低于2 h，檢測的泄漏率不超過1×10-5Pa·m3/s[5]。

4 結(jié)論

通過對蒸汽過熱器的工藝過程模擬和相關(guān)的設(shè)計計算可知，該設(shè)備出現(xiàn)問題的主要原因是管程與殼程的溫差過大而導(dǎo)致的應(yīng)力過大。為此，通過在殼程增加不銹鋼波形膨脹節(jié)、提高原材料的質(zhì)量要求和提高對設(shè)備的檢測要求等一系列的優(yōu)化措施，使設(shè)備性能更穩(wěn)定，設(shè)備運行更高效。經(jīng)實際使用，該設(shè)備運行穩(wěn)定可靠，再未出現(xiàn)管子管板發(fā)生泄漏和其他異常情況。

從該案例可知，在高壓換熱器的設(shè)計制造時以下幾個問題需予以關(guān)注：

（1）對于固定管板式結(jié)構(gòu)的高壓換熱器，精確的殼體與換熱管的壁溫對整個設(shè)備的設(shè)計是很重要的。高壓換熱器的設(shè)計安全余量相對于低壓、中壓級的換熱器要小，壁溫的不精確會導(dǎo)致整個設(shè)備的設(shè)計產(chǎn)生較大的偏差，給設(shè)備的正常使用帶來安全隱患。因此，在設(shè)備設(shè)計時要根據(jù)精確的壁溫進(jìn)行設(shè)計計算，這樣才能夠充分判斷設(shè)計是否安全、合理，才能保證設(shè)備可靠運行。

（2）在工藝流程條件滿足的情況下，可將高壓換熱器設(shè)計成U形管式、浮頭式等結(jié)構(gòu)形式，以減少管程與殼程的膨脹量差過大而引起的軸向應(yīng)力。

（3）在高壓換熱器中使用膨脹節(jié)要綜合考慮膨脹節(jié)的強(qiáng)度和剛度。膨脹節(jié)能有效地補(bǔ)償管程與殼程的膨脹量差異，減小換熱管的軸向應(yīng)力；但是在高壓高溫的工況下，膨脹節(jié)需要滿足自身一定的強(qiáng)度，因此其厚度會較大，而此時膨脹節(jié)的剛度也會變得很大。膨脹節(jié)作為一種能自由伸縮的彈性補(bǔ)償元件，其結(jié)構(gòu)特點是需要具有足夠的柔性，剛度太大會使膨脹節(jié)的補(bǔ)償作用受到很大的限制。另外，膨脹節(jié)是固定管板式換熱器中相對比較薄弱的環(huán)節(jié)，應(yīng)盡量避免在惡劣工況下使用。

（4）高壓換熱器對原材料的質(zhì)量要求比較高，通常需要選用高精度的換熱管，需要對換熱管進(jìn)行100%的渦流檢測以及逐根進(jìn)行水壓試驗，還要注意在換熱管兩端去除軋制缺陷和探傷盲區(qū)等。

（5）高壓換熱器制造過程中，為保證換熱管與管板的焊接質(zhì)量，通常采用2道焊接和檢測的工藝，即管子管板在進(jìn)行第1道焊接后，需對焊接接頭進(jìn)行泄漏檢測，檢測合格后，再進(jìn)行第2道焊接和檢測，并注意兩道焊縫的起弧位置要錯開180°。

（6）必要時，在設(shè)備整體水壓試驗后還可對殼程進(jìn)行氦檢漏試驗檢測，以確保每個管子管板的連接焊縫以及設(shè)備本體的焊縫都完好不泄漏。

[1]董其伍，張垚.換熱器 [M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009.

[2]錢頌文.換熱器設(shè)計手冊 [M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2002.

[3]全國壓力容器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會制造分委會.壓力容器波形膨脹節(jié)：GB 16749—1997[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1998.

[4]李世玉.壓力容器設(shè)計工程師培訓(xùn)教程[M].北京：新華出版社，2005.

[5]中國石油和化學(xué)工業(yè)協(xié)會.鋼制化工容器制造技術(shù)要求：HG/T 20584—2011[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2011.

Failure Analysis and Design Improvement of High Pressure Steam Superheater

Yuan Minyue

The welding seam leakage frequently occured at the joint of pipe and tube plate of a high pressure steam superheater,and the problem was analyzed comprehensively.The structure,material,welding,inspection,test and other aspects of equipment were optimized and improved.In the design process of high pressure fixed tubesheet heat exchanger,the wall temperature was an important technical parameter,and should be paid enough attention to.

High pressure heat exchanger;Wall temperature;Expansion joint;Structural design;Stress;Corrosion

TQ 051.5

10.16759/j.cnki.issn.1007-7251.2017.10.010

*袁敏玥，女，1985年生，工程師。上海市，200030。

2017-09-07）