換熱器膨脹節(jié)裂紋分析及處理措施

鐘 靈，鐘俊飛

（1.成都玉龍化工有限公司，四川成都610300；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)，黑龍江哈爾濱150090）

固定管板式換熱器以其結(jié)構(gòu)簡單和經(jīng)濟性，廣泛應(yīng)用于各行業(yè)。但在長期運行中經(jīng)常發(fā)生各種損壞問題，通常有溫差應(yīng)力損壞、腐蝕損壞、結(jié)垢損壞、強度損壞、超溫超壓超負(fù)荷損壞、使用維護不當(dāng)損壞等。本文討論某化工廠在生產(chǎn)上運行最多的固定管板式換熱器因溫差應(yīng)力引起膨脹節(jié)損壞問題及處理措施。殼體與管束之間存在的溫差應(yīng)力，是由于殼體與管束的材料和溫度不同，各自熱膨脹系數(shù)也不同，且管板、管束和殼體間又是一個非靜定結(jié)構(gòu)體系，造成殼體和管束中產(chǎn)生極大的溫差應(yīng)力，在殼體和管束中引起嚴(yán)重的軸向應(yīng)力導(dǎo)致殼體裂紋（或殼體焊縫裂紋），或者致使換熱管端與管板焊縫裂紋而發(fā)生泄漏。因此，為減少殼體與管束膨脹量不同產(chǎn)生的熱應(yīng)力，防止裂紋發(fā)生，在設(shè)計固定管板式換熱器時，一般是在殼體上設(shè)置膨脹節(jié)，其主要作用有：（a）將非靜定結(jié)構(gòu)變?yōu)殪o定結(jié)構(gòu)，降低殼體由于管、殼熱膨脹量不同引起的熱應(yīng)力，改善殼體的應(yīng)力狀況；（b）換熱器溫差較大時，還可減薄管板厚度，制作方便，從而增加換熱面積；（c）避免因其造成管板太厚而影響它與換熱管的連接質(zhì)量。

1 膨脹節(jié)運行中出現(xiàn)裂紋和腐蝕泄漏

波形膨脹節(jié)作為一種良好的變形補償元件，在石化、電力、供熱、鋼鐵、城建等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用，其作用是對設(shè)備、管路、設(shè)備與設(shè)備的連接中起補償作用，以其軸向伸縮或角度變化來補償設(shè)備或管路系統(tǒng)因溫差造成的位移[1-2]。膨脹節(jié)能明顯降低溫度差引起的軸向力，從而改善管板、殼體、管子等主要構(gòu)件的受力狀況，然而膨脹節(jié)既是柔性環(huán)節(jié)，也是最薄弱部位。曾經(jīng)有公司在5年內(nèi)共更換了4臺換熱器，其失效形式都是由于膨脹節(jié)裂紋而將整臺換熱器報廢[3]。在化工廠中，換熱器的投資約占總投資的10%～20%[4]。因而正確設(shè)計、選型、制造、安裝、使用及維護膨脹節(jié)對保證設(shè)備和管路可靠、安全運行有著極其重要的意義，同時與企業(yè)經(jīng)濟效益密切相關(guān)。膨脹節(jié)失效不僅造成財產(chǎn)損失，甚至有人員傷亡的危險。在這方面，許多專家學(xué)者對其進行了研究分析和處理。

趙英等[3]分析，由于材料和制造質(zhì)量問題，加以操作不當(dāng)使膨脹節(jié)過早疲勞失效，致使換熱器及膨脹節(jié)整臺更換。張明樂等[5-7]分析膨脹節(jié)失效機理，指出其根本原因應(yīng)歸結(jié)為晶間腐蝕、應(yīng)力腐蝕破裂和腐蝕疲勞，它與膨脹節(jié)的工作環(huán)境密切相關(guān)，采取改進膨脹節(jié)材料及成形后進行固熔處理的措施。胡建一等[8-10]分析指出，膨脹節(jié)應(yīng)力腐蝕開裂的原因是由拉伸應(yīng)力(力學(xué)因素)、特定介質(zhì)(環(huán)境因素)、敏感合金(材料因素)，及其制造質(zhì)量等因素造成的，應(yīng)嚴(yán)格管控制造質(zhì)量和健全操作規(guī)程，采取帶填料函內(nèi)筒隔離保護膨脹節(jié)的措施。郭志軍等[11-14]分析膨脹節(jié)頻繁腐蝕失效原因后，改進原材料及波紋管結(jié)構(gòu)，合理安裝和使用的措施。項忠維等[15]分析膨脹節(jié)應(yīng)力腐蝕裂紋原因，采取填料函結(jié)構(gòu)代替膨脹節(jié)的措施。張衛(wèi)義等[16]分析認(rèn)為，膨脹節(jié)產(chǎn)生裂紋失效是屬強度破壞，采取加大膨脹節(jié)直徑更換的措施。胡麗莉等[17-18]對損壞的膨脹節(jié)，選用標(biāo)準(zhǔn)膨脹節(jié)并改變殼體結(jié)構(gòu)和增大直徑的方法更換。張玉明[19]的分析結(jié)果表明，應(yīng)力腐蝕是造成膨脹節(jié)開裂失效的根本原因,建議改進材料結(jié)構(gòu)及加工過程，同時避免氯離子和硫離子對各個環(huán)節(jié)的影響。

上述文獻(xiàn)都是采取更換膨脹節(jié)(或更換整臺換熱器)的措施。由于膨脹節(jié)安全運行對整個裝置安全生產(chǎn)起著重要作用，膨脹節(jié)既是最薄弱環(huán)節(jié)，又是容易產(chǎn)生事故的不安全部位，它將對生產(chǎn)裝置長周期安全運行造成威脅，并帶來較大的經(jīng)濟損失，成為安全生產(chǎn)的重要因素之一。所以對膨脹節(jié)裂紋原因進行分析研究并采取有效應(yīng)對處理措施是十分必要而有意義的。筆者對某化工廠固定管板式換熱器膨脹節(jié)運行中出現(xiàn)的裂紋進行分析討論，采取不更換膨脹節(jié)和設(shè)備的簡易處理措施，滿足了生產(chǎn)要求，取得了良好的經(jīng)濟效果。

2 膨脹節(jié)裂紋失效的機理分析

2.1 結(jié)構(gòu)及主要設(shè)計參數(shù)

某化工廠合成氨直轉(zhuǎn)造氣裝置的鍋爐第二給水預(yù)熱器，為固定管板式換熱器立式裙座結(jié)構(gòu)，中部有一單波U形壓力容器膨脹節(jié)。殼體材料為Q235-A，內(nèi)徑Di=1 000 mm，壁厚δ=10 mm；換熱管材料為20#，規(guī)格φ25 mm×2.5 mm，數(shù)量N=739根；兩管板間距離L=3 940 mm；膨脹節(jié)材料為16MnR。

殼程為易燃易爆的低變氣（H2、N2、CO2、CH4），壓力0.90 MPa，溫度200℃；管程為供鍋爐熱軟水，壓力1.80 MPa，溫度130℃。由于膨脹節(jié)位于設(shè)備中部，因此管殼程溫度均為中部數(shù)值。

2.2 膨脹節(jié)裂紋分析

膨脹節(jié)失效主要有：強度破壞、失穩(wěn)破壞、腐蝕破壞、疲勞破壞、高溫蠕變破壞、脆裂破壞等，對于特定的某膨脹節(jié)，上述失效形式一般不會同時發(fā)生，但它們之間卻有密切關(guān)系。如露點腐蝕，常會萌發(fā)應(yīng)力開裂；失穩(wěn)常引起疲勞失效等現(xiàn)象[1,20]。限于篇幅，本文針對某化工廠鍋爐第二給水預(yù)熱器上的膨脹節(jié)在波峰附近發(fā)生裂紋進行分析。該設(shè)備2004年5月投用，2006年5月發(fā)現(xiàn)膨脹節(jié)波峰附近環(huán)向開裂（長約70 mm），造成大量低變氣泄漏，由于發(fā)現(xiàn)及時，沒有發(fā)生火災(zāi)和人員傷亡事故，但對生產(chǎn)及周邊地區(qū)的安全構(gòu)成了很大威脅。因此找出膨脹節(jié)失效原因，避免或減少同類事故的重復(fù)發(fā)生，從而減少經(jīng)濟損失，確保安全是至關(guān)重要的。

殼程工作介質(zhì)為低變氣，經(jīng)檢查從投用到現(xiàn)在對膨脹節(jié)材料沒有腐蝕。從現(xiàn)場實際情況看，膨脹節(jié)以前工作正常，按操作規(guī)程運行，未見異常變形?？膳懦蛎浌?jié)設(shè)計與制造由于強度、承壓能力、耐溫能力不足而造成裂紋失效的原因。在生產(chǎn)中膨脹節(jié)承受的應(yīng)力狀況較為復(fù)雜，主要有膨脹節(jié)加工成形及焊接時產(chǎn)生的殘余應(yīng)力,操作壓力作用下產(chǎn)生的應(yīng)力,開停車期間對膨脹節(jié)引起的交變應(yīng)力,膨脹節(jié)安裝時的誤差及預(yù)變形造成的裝配應(yīng)力。

從現(xiàn)場情況看，都是環(huán)向開裂，說明軸向應(yīng)力很大。波峰上的圓弧過渡段正是整體不連續(xù)區(qū)，此處的應(yīng)力大，故裂紋產(chǎn)生于該過渡區(qū)，且呈環(huán)向[15,21-22]。當(dāng)波峰某處綜合應(yīng)力達(dá)到并超過膨脹節(jié)材料強度極限時,則即刻發(fā)生爆裂，從膨脹節(jié)爆裂碎片多為波峰環(huán)向斷裂截面也證實起爆點在波峰[7]。危險截面在波谷、波峰圓弧中點附近,危險點在波谷圓弧中點附近內(nèi)、外表面和波峰圓弧中點附近內(nèi)表面處，膨脹節(jié)波峰焊縫附近產(chǎn)生裂紋[16]。失效的膨脹節(jié)中間的波紋外表面油漆大部分已剝落，開裂發(fā)生在波紋第一節(jié)的波峰頂端，裂紋沿波峰周向擴展，長度約為周長1/4,穿越縱向焊縫[19]。由于膨脹節(jié)是冷壓成形，其殘余應(yīng)力較大且分布不均衡，尤其在波峰和波谷附近殘余應(yīng)力的大小接近材料的屈服極限[23]。裂紋位于膨脹節(jié)波峰附近，該處在運行工況下受拉伸應(yīng)力的作用最大[24]。曾有公司測量發(fā)現(xiàn)，在波峰和波谷過渡段的不連續(xù)區(qū)域徑向應(yīng)力達(dá)60 MPa，殘余應(yīng)力最高可達(dá)180 MPa，疊加后組合應(yīng)力遠(yuǎn)大于材料的屈服極限[14]。

通過實驗得知，一般情況下，當(dāng)只有伸縮變形時，最大徑向應(yīng)力發(fā)生在波峰或波谷上。由于膨脹節(jié)在制造過程中一般是采用冷加工成形：液壓或滾壓法。所以膨脹節(jié)頂部的減薄量比較大，且制造應(yīng)力也比較大，因此膨脹節(jié)的破裂總是發(fā)生在膨脹節(jié)的頂部。另外，對于膨脹節(jié)這種柔性構(gòu)件來說，疲勞壽命與膨脹節(jié)的制造質(zhì)量、幾何尺寸的誤差、材料本身的質(zhì)量密切相關(guān)，都將對應(yīng)力分布及應(yīng)力的大小有顯著的影響。例如在制造中應(yīng)盡量減少成形偏差，因為10%的厚度公差就會產(chǎn)生20%的壓力彎曲應(yīng)力變化，進而影響壽命。所以膨脹節(jié)的實際壽命與計算所得的數(shù)據(jù)誤差較大[3]。換熱器零部件材料的機械性能、工況載荷、缺陷尺寸等因素都存在著隨機性和不確定性,理論方法求得的結(jié)果不能準(zhǔn)確地反映實際情況[25]。

對裂紋進行宏觀檢查，從外表面觀察，膨脹節(jié)裂紋位置符合上述分析，同樣出現(xiàn)在波峰位置（基本上接近波峰）的環(huán)向裂紋,由于波峰是拉應(yīng)力相對最高的截面位置，在膨脹節(jié)補償量不夠時所產(chǎn)生應(yīng)力水平超過材料強度極限的條件下，導(dǎo)致膨脹節(jié)波峰附近出現(xiàn)環(huán)向開裂。

3 處理措施

3.1 措施確定

常規(guī)的處理措施基本上是現(xiàn)場直接補焊、仿制弧板補焊、高溫膠泥封堵、自制盒子堵漏，但根據(jù)資料介紹，這些措施僅能應(yīng)付一時，不能長久。如果重新制作膨脹節(jié)更換，需選用2波標(biāo)準(zhǔn)膨脹節(jié)方可繼續(xù)正常運行，但拆裝工序繁瑣、費用高、停車時間長、損失較大。為此，從節(jié)約及企業(yè)經(jīng)濟效益考慮，設(shè)計了一種簡易的新型膨脹節(jié)，并委托膨脹節(jié)專業(yè)制造公司按膨脹節(jié)標(biāo)準(zhǔn)GB16749—1997[26]制造、檢驗、驗收、油漆、包裝和運輸，且須符合GB150.1～150.4—2011[27]等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。待運回工廠后，在現(xiàn)場套焊在原膨脹節(jié)上，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 膨脹節(jié)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 The structure diagram of the expansion joint

新型膨脹節(jié)吊裝到位后，要對稱調(diào)整平直，間隙符合規(guī)范要求；焊接時要將新型膨脹節(jié)保護起來，防止飛濺、碰傷、擦傷和劃傷新型膨脹節(jié)，禁止在新型膨脹節(jié)上引弧。殼體上的舊膨脹節(jié)無需割除，可將舊膨脹節(jié)波峰的圓弧部分去除，以便自由伸縮；舊膨脹節(jié)還可起到襯筒和導(dǎo)流筒的作用，以減輕流體對新型膨脹節(jié)沖刷磨損。如果在殼體上割除舊膨脹節(jié)，則容易損壞換熱管束，并且筒體會變形和偏移，造成新型膨脹節(jié)組對焊接困難；嚴(yán)禁用膨脹節(jié)變形的方法來調(diào)整安裝誤差，以免影響新型膨脹節(jié)的使用效果和降低使用壽命。新型膨脹節(jié)整體制作完成后，如果切割成兩半后運輸，即使用專用工裝夾具將膨脹節(jié)固定，也難保運輸過程中不變形或不發(fā)生偏差，因此，須在現(xiàn)場安裝時方可對稱切割成兩半，接著進行整形、打磨坡口、組裝對焊、探傷、試壓等工序。

3.2 效果分析

采用這種新型膨脹節(jié)，其設(shè)計、制作和安裝的工作量都不大、停車時間短、組對容易、耗材少、費用低，取得的效果良好；在費用方面，加上施工階段停產(chǎn)損失，與膨脹節(jié)整體更換相比可綜合節(jié)約6.75萬元，與換熱器整體更換相比可綜合節(jié)約18.92萬元。新型膨脹節(jié)自2006年6月投用至今已連續(xù)12年正常運行，包括管程均未發(fā)生過泄漏現(xiàn)象，照片如圖2所示。在2011年11月，鍋爐第一給水預(yù)熱器膨脹節(jié)發(fā)生裂紋泄漏，筆者采用同樣的方案設(shè)計新型膨脹節(jié)，自2011年12月投用至今已連續(xù)正常運行6年零5個月，包括管程也未發(fā)生過泄漏現(xiàn)象，如圖3所示。隨后，D型壓縮機一、二、三級共3臺水冷卻器的碳鋼膨脹節(jié)因介質(zhì)腐蝕相繼損壞，筆者也采用同樣的方案設(shè)計，全部改為不銹鋼新型膨脹節(jié)正常運行到現(xiàn)在，如圖4所示。經(jīng)過生產(chǎn)上長期安全正常運行證明，設(shè)計這種新型膨脹節(jié)的處理措施是切實可行的，效果顯著。

圖2 第二預(yù)熱器上的新型膨脹節(jié)Fig.2 The new-type expansion joint of the second preheater

圖3 第一預(yù)熱器上的新型膨脹節(jié)Fig.3 The new-type expansion joint of the first preheater

圖4 各級水冷卻器上的新型膨脹節(jié)Fig.4 The new-type expansion joint of the different stage water cooler

4 新膨脹節(jié)設(shè)計計算

本文對鍋爐第二給水預(yù)熱器新型膨脹節(jié)按GB16749—1997進行計算，其余換熱器上的新型膨脹節(jié)設(shè)計計算類似，故不一一列出。

4.1 相關(guān)數(shù)據(jù)確定

設(shè)計壓力p=0.9 MPa；膨脹節(jié)材料16MnR；層數(shù)m，單層m=1；波數(shù)n，單波n=1；單波波長W=300 mm；波高h(yuǎn)=200 mm；膨脹節(jié)單層材料的名義厚度S=8 mm；腐蝕裕量C2=1 mm；膨脹節(jié)連接殼體內(nèi)徑Db=1 000 mm；換熱器殼體外徑D0＇=Db+2δ=1 020 mm；膨脹節(jié)平均直徑 Dm=D0＇+h=1 220 mm；膨脹節(jié)成形后材料有效厚度Sp=（Db/Dm）0.5×S=7.24 mm；室溫下材料的彈性橫量Eb=201×103MPa；設(shè)計溫度下材料的屈服點σst=275 MPa；設(shè)計溫度下材料的許用應(yīng)力值[σ]t=183 MPa。

4.2 系數(shù)計算

由GB16749—1997中系數(shù)圖 6得：CP=0.41；圖6-3得：Cf=0.68；圖6-4得：Cd=2.0。

4.3 應(yīng)力計算

4.3.1 內(nèi)壓引起的周向薄膜應(yīng)力

4.3.2 內(nèi)壓引起的徑向薄膜應(yīng)力

4.3.3 內(nèi)壓引起的徑向彎曲應(yīng)力

4.3.4 軸向位移引起的徑向薄膜應(yīng)力

4.3.5 軸向位移引起的徑向彎曲應(yīng)力

4.3.6 組合應(yīng)力

得e1≤12.38 mm，即新型膨脹節(jié)最大補償量可達(dá)12.4 mm。原設(shè)計按標(biāo)準(zhǔn)選用的舊膨脹節(jié)最大補償量僅為7.2 mm，新型膨脹節(jié)通過長期的正常運行也證明，舊膨脹節(jié)是由于位移量不足，消除不了換熱器溫差應(yīng)力而造成裂紋失效。

膨脹節(jié)這種柔性構(gòu)件，由于在成形后，其頂部的減薄量存在差異、制造質(zhì)量、材料質(zhì)量、幾何尺寸誤差、裝配應(yīng)力、各種殘余應(yīng)力、操作應(yīng)力、交變應(yīng)力、波峰波谷的曲率半徑改變、運行工況變化等都將對應(yīng)力分布及應(yīng)力的大小有顯著的影響，進而影響壽命。因此，膨脹節(jié)的實際壽命與計算所得的數(shù)據(jù)誤差較大，計算值僅作參考，在設(shè)計計算和選用膨脹節(jié)時應(yīng)具有充足余量。

5 結(jié) 論

膨脹節(jié)產(chǎn)生裂紋的原因是在設(shè)計換熱器時，按標(biāo)準(zhǔn)選用膨脹節(jié)，其伸縮量不能滿足換熱器實際工作過程中的位移量，所產(chǎn)生的溫差應(yīng)力超過膨脹節(jié)材料許用應(yīng)力，造成膨脹節(jié)在波峰附近發(fā)生環(huán)向裂紋泄漏而失效。為此，設(shè)計簡易新型膨脹節(jié)的補償量增加了72.22%，滿足了熱應(yīng)力變化產(chǎn)生的伸縮量要求，連續(xù)正常運行12年，由此推廣運用于其它換熱器上，達(dá)到了長期安全可靠運行，獲得了良好的經(jīng)濟效果。其創(chuàng)新特點有：

（1）設(shè)計簡易新型膨脹節(jié)的伸縮量遠(yuǎn)大于同規(guī)格的標(biāo)準(zhǔn)膨脹節(jié)，適應(yīng)溫差范圍大，不但能夠用于替代設(shè)備和管道上失效的單波膨脹節(jié)，還可用于溫差增大需要配置膨脹節(jié)的地方，而不必重新制作更換設(shè)備。

（2）該種新型膨脹節(jié)在安裝時，無需改變設(shè)備結(jié)構(gòu)和對設(shè)備進行拆卸吊裝，在現(xiàn)場直接套焊在原膨脹節(jié)上即可，可完全滿足實際生產(chǎn)要求。如果選用原有標(biāo)準(zhǔn)膨脹節(jié)結(jié)構(gòu)就不能這樣快捷的實現(xiàn)并達(dá)到目的。

（3）這種簡易新型膨脹節(jié)同樣按標(biāo)準(zhǔn)GB16749-1997計算、制造、檢驗及驗收；結(jié)構(gòu)簡單、制作及安裝容易、費用低。材料方面，根據(jù)實際情況可用碳鋼，也可采用不銹鋼制作。

（4）膨脹節(jié)是應(yīng)用很廣泛的一種變形補償元件，但它又是薄弱環(huán)節(jié)，受設(shè)計、選型、制造、運輸、安裝、操作、維護及管理等因素影響，易損壞泄漏。采用這種簡易新型膨脹節(jié)替代損壞的膨脹節(jié)，通過長期安全生產(chǎn)運行表明，換熱器可保持繼續(xù)正常使用，而不至于因膨脹節(jié)失效，造成整臺換熱器報廢帶來的經(jīng)濟損失，延長了換熱器的使用壽命，并且節(jié)約投資。適用于替代失效的單波膨脹節(jié)或者補償量不太大的結(jié)構(gòu)，如果條件允許還可間隔一定尺寸安裝多個，以滿足位移量更大的需要。