管殼式換熱器管箱開裂失效分析

韓守鵬* 王勝輝 許金沙 宋友立 徐洪濤

（1.上海市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院 2.上海理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院）

0 引言

管殼式換熱器是一種廣泛應(yīng)用在石油、化工、食品及醫(yī)藥等行業(yè)的換熱設(shè)備。管殼式換熱器根據(jù)結(jié)構(gòu)不同可以分為，固定管板式換熱器、浮頭式換熱器、U 形管換熱器和填料函式換熱器等[1]。管殼式換熱器由管箱、殼體、管板、管束和擋板等幾部分組成。在管殼式換熱器內(nèi)進(jìn)行換熱的兩種介質(zhì)，一種在管內(nèi)流動(dòng)，其行程稱為管程；一種在管外流動(dòng)，其行程稱為殼程。某化工企業(yè)的一臺(tái)管殼式換熱器的主要設(shè)計(jì)參數(shù)如表1 所示。

該管殼式換熱器管箱投用5 個(gè)月后出現(xiàn)開裂泄漏現(xiàn)象，如圖1 所示。裂紋主要集中分布在管箱筒體與隔板連接角焊縫處以及隔板拼接焊縫周圍，管箱筒體上有裂紋的區(qū)域內(nèi)壁均對(duì)應(yīng)著隔板角焊縫，且裂紋在筒體內(nèi)壁基本沿隔板角焊縫筒體側(cè)的焊趾部位與焊縫平行的方向連續(xù)擴(kuò)展，而在筒體外側(cè)呈斷續(xù)狀擴(kuò)展，裂紋是由內(nèi)側(cè)隔板角焊縫焊趾處啟裂并向外壁擴(kuò)展。裂紋貫穿整個(gè)管箱筒體，從而導(dǎo)致介質(zhì)泄漏。

表 1 換熱器主要設(shè)計(jì)參數(shù)

圖 1 換熱器管箱裂紋

利用有限元分析軟件ANSYS 對(duì)出現(xiàn)裂紋的管殼式換熱器管箱進(jìn)行應(yīng)力分析，得到換熱器管箱整體應(yīng)力場(chǎng)分布情況，并基于JB 4732—1995（2005 年確認(rèn)）《鋼制壓力容器——分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行強(qiáng)度評(píng)定[2]。另外，也對(duì)該換熱器的實(shí)際運(yùn)行條件進(jìn)行了調(diào)查和研究，并對(duì)該換熱器管箱裂紋進(jìn)行了檢驗(yàn)和分析。

1 有限元模型

1.1 物理模型和材料屬性

管殼式換熱器管箱的物理模型完全按照設(shè)計(jì)圖紙的尺寸來(lái)建立[3]，如圖2 所示。由于該管箱是平面對(duì)稱結(jié)構(gòu)，于是采用1/2 的物理模型進(jìn)行有限元分析計(jì)算。該管箱由蒸汽進(jìn)出口、人孔、隔板、封頭和筒體組成，其中蒸汽進(jìn)出口材質(zhì)為15CrMoⅡ鍛件，內(nèi)徑為203 mm，外徑為290 mm；人孔口材質(zhì)為15CrMoⅢ鍛件，內(nèi)徑為560 mm，外徑為675 mm；隔板、封頭和筒體材質(zhì)為15CrMoR，隔板厚度為16 mm，封頭厚度為36 mm，管箱內(nèi)徑為1 750 mm，管箱筒體厚度為36 mm。

圖 2 換熱器管箱物理模型

換熱器管箱所用材料為15CrMoR、15CrMoⅡ鍛件和15CrMoⅢ鍛件，材料彈性模量和屈服強(qiáng)度可按照J(rèn)B 4732—1995（2005 年確認(rèn)）標(biāo)準(zhǔn)中附錄G 的要求選用，材料許用應(yīng)力和泊松比可按照GB 150—2011《壓力容器》材料部分的要求選用[4]。該換熱器設(shè)計(jì)溫度為420 ℃，在設(shè)計(jì)溫度下選用的材料性能參數(shù)如表2 所示。

表 2 材料性能數(shù)據(jù)表

1.2 單元選擇和網(wǎng)格劃分

該應(yīng)力場(chǎng)有限元模型選擇了8 節(jié)點(diǎn)六面體結(jié)構(gòu)分析單元Solid185。Solid185 單元用于構(gòu)造三維固體結(jié)構(gòu)，該單元適用于超彈性、應(yīng)力鋼化、蠕變和大變形等場(chǎng)合[5-6]。該模型的整體網(wǎng)格單元數(shù)為233 055，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為1 229 299。對(duì)模型中管箱結(jié)構(gòu)突變和不連續(xù)處進(jìn)行網(wǎng)格加密，確保其滿足計(jì)算精度要求。管箱局部網(wǎng)格細(xì)節(jié)如圖3 所示。

圖 3 換熱器管箱局部網(wǎng)格模型

1.3 約束條件

在管箱筒體下表面施加位移全約束邊界條件，將管箱中間剖面設(shè)置為對(duì)稱面，在管箱和接管內(nèi)部表面施加設(shè)計(jì)壓力載荷4 MPa；在人孔和接管的端面施加等效拉應(yīng)力載荷，人孔接管等效拉應(yīng)力值為8.83 MPa，蒸汽進(jìn)出口接管等效拉應(yīng)力值為3.84 MPa，等效拉應(yīng)力p 的計(jì)算公式如下[4]：

式中：pc——設(shè)計(jì)壓力，MPa；

D——接管外徑，mm；

d——接管內(nèi)徑，mm。

2 應(yīng)力分析和強(qiáng)度評(píng)定

圖4 所示為管箱整體應(yīng)力分布云圖，從圖4 可知，管箱筒體與隔板連接處的角焊縫處存在較大的應(yīng)力集中現(xiàn)象，最大應(yīng)力點(diǎn)位于圖4 中的MX 處，最大應(yīng)力值為808 MPa。另外，在人孔接管與封頭連接處和蒸汽進(jìn)出口與管箱連接處也產(chǎn)生了應(yīng)力集中現(xiàn)象，人孔接管與封頭連接處的最大應(yīng)力值為378 MPa，蒸汽進(jìn)出口與管箱連接處的最大應(yīng)力值為266 MPa。隔板整體應(yīng)力水平較低，應(yīng)力集中主要發(fā)生在隔板與筒體連接的角焊縫處。

根據(jù)JB 4732—1995（2005 年確認(rèn)）標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于彈性應(yīng)力分析法的評(píng)估策略，利用線性化原理對(duì)設(shè)計(jì)載荷下管箱應(yīng)力集中處進(jìn)行分類評(píng)定[7]。首先，通過(guò)最大應(yīng)力節(jié)點(diǎn)，并沿著壁厚以最短距離設(shè)置線性化路徑；其次，由于筒體與接管連接處的結(jié)構(gòu)幾何不連續(xù)，因此沿相交處選取的截面得到的薄膜應(yīng)力為一次局部薄膜應(yīng)力PL，對(duì)應(yīng)一次局部薄膜應(yīng)力強(qiáng)度SⅡ。該處的薄膜加彎曲點(diǎn)應(yīng)力中包括了靜力平衡需要的一次彎曲應(yīng)力和因變形協(xié)調(diào)引起的二次彎曲應(yīng)力。由于兩種應(yīng)力無(wú)法區(qū)分，為了滿足JB 4732—1995（2005年確認(rèn)）標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)各應(yīng)力強(qiáng)度依次逐級(jí)評(píng)定的要求，對(duì)薄膜應(yīng)力加彎曲應(yīng)力宜按照一次薄膜加一次彎曲應(yīng)力強(qiáng)度SⅢ處理。根據(jù)JB 4732—1995（2005年確認(rèn)）標(biāo)準(zhǔn)附錄J的要求，將這一部分SⅢ參照SⅡ按2.2倍設(shè)計(jì)應(yīng)力強(qiáng)度Sm計(jì)算。通過(guò)應(yīng)力水平高的節(jié)點(diǎn)，分別對(duì)管箱筒體、隔板、人孔接管和蒸汽進(jìn)出口接管分別選擇一條路徑進(jìn)行應(yīng)力評(píng)定[8-9]，應(yīng)力強(qiáng)度評(píng)定結(jié)果如表 3 所示。

表 3 應(yīng)力評(píng)定結(jié)果

圖 4 換熱器管箱應(yīng)力分布

從表3 中的應(yīng)力評(píng)定結(jié)果可知，管箱筒體、人孔接管和蒸汽接管的設(shè)計(jì)均滿足應(yīng)力強(qiáng)度要求；管箱隔板應(yīng)力評(píng)定結(jié)果為不合格，即不滿足應(yīng)力強(qiáng)度要求。該管殼式換熱器在設(shè)計(jì)工況下，管箱隔板和筒體角焊縫因設(shè)計(jì)強(qiáng)度不滿足要求而出現(xiàn)裂紋，導(dǎo)致管箱開裂失效。

3 現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查分析

3.1 工藝條件

該管殼式換熱器的管程介質(zhì)為中壓飽和蒸汽，殼程介質(zhì)為變換氣；管程的中壓飽和蒸汽進(jìn)口溫度約為241 ℃，出口溫度約為380 ℃，管程工作壓力為3.25 MPa；殼程變換氣進(jìn)口溫度為427 ℃，出口溫度為377 ℃，殼程工作壓力為6.07 MPa。在現(xiàn)場(chǎng)工藝調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，操作人員為了防止蒸汽鍋爐結(jié)垢，在鍋爐給水中添加了大量的磷酸三鈉（Na3PO4）。磷酸三鈉易溶于水，水解后溶液呈堿性，并隨著溶液濃度增加堿性也增強(qiáng)。因此，該換熱器管程處于典型的堿性介質(zhì)環(huán)境中，富含磷酸三鈉的水蒸氣在管箱內(nèi)流動(dòng)，且極易在管箱和隔板連接的角焊縫處凝結(jié)和蒸發(fā)，造成了局部區(qū)域磷酸三鈉濃縮。將從現(xiàn)場(chǎng)裂紋處采集到的白色粉末化驗(yàn)后可知，其中含有較多的磷酸三鈉結(jié)晶，從而證實(shí)了磷酸三鈉在管箱和隔板連接處的角焊縫處濃縮，因此該處受到堿腐蝕作用較強(qiáng)。

3.2 金相分析和X射線能譜分析

選取換熱器管箱裂紋處的試樣進(jìn)行金相分析，管箱裂紋局部形貌如圖5 所示。從圖5 中可以看出裂紋大多沿晶擴(kuò)展，在個(gè)別地方出現(xiàn)分叉現(xiàn)象。裂紋縫隙中充滿了氧化物，且裂紋周圍也存在氧化現(xiàn)象。對(duì)金相試樣進(jìn)行X 射線能譜分析，發(fā)現(xiàn)在裂紋縫隙部位存在較多的O、Na 和P 元素。

圖 5 管箱裂紋局部形貌

4 分析和討論

對(duì)換熱器管箱進(jìn)行應(yīng)力分析、強(qiáng)度評(píng)定和工藝分析，根據(jù)結(jié)果分析可知該換熱器管箱在設(shè)計(jì)和使用中存在以下問(wèn)題：（1）通過(guò)對(duì)管箱進(jìn)行應(yīng)力分析得到管箱的應(yīng)力分布情況，管箱筒體與隔板連接的角焊縫處存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，局部應(yīng)力最大值為808 MPa，已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高出材料在設(shè)計(jì)溫度下的屈服應(yīng)力（185 MPa）；分別選擇一條路徑對(duì)管箱筒體、隔板、人孔接管和蒸汽進(jìn)出口接管進(jìn)行強(qiáng)度評(píng)定，管箱隔板強(qiáng)度評(píng)定結(jié)果為不合格，即不滿足應(yīng)力強(qiáng)度要求；（2）在現(xiàn)場(chǎng)工藝調(diào)查中發(fā)現(xiàn)管程中壓飽和蒸汽介質(zhì)中添加了大量的磷酸三鈉，導(dǎo)致?lián)Q熱器管程長(zhǎng)期處于典型的堿性介質(zhì)環(huán)境中，中壓飽和蒸氣受到操作壓力和溫度的作用后極易在管箱和隔板連接的角焊縫等角落處凝結(jié)和蒸發(fā)，造成該處磷酸三鈉濃度高、堿性強(qiáng)。對(duì)換熱器管箱的裂紋進(jìn)行金相分析和X 射線能譜分析后發(fā)現(xiàn)，管箱裂紋大多沿晶擴(kuò)展，可觀察到沿晶開裂的二次裂紋；裂紋縫隙中充滿了氧化物，且裂紋周圍也存在氧化現(xiàn)象，裂紋縫隙部位存在較多的O、Na 和P 元素。

通過(guò)以上分析可知，該換熱器管箱長(zhǎng)期處于高應(yīng)力集中、高設(shè)計(jì)壓力、高設(shè)計(jì)溫度和強(qiáng)堿性的環(huán)境下，因此裂紋是由高應(yīng)力水平下堿應(yīng)力腐蝕引起的。對(duì)照GB/T 30579—2014《承壓設(shè)備損傷模式識(shí)別》標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)堿應(yīng)力腐蝕開裂的描述，發(fā)現(xiàn)該管箱裂紋的損傷形態(tài)、受影響材料和主要影響因素都較為吻合[10]。GB/T 30579—2014 標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)堿應(yīng)力腐蝕開裂的描述如下：堿應(yīng)力腐蝕開裂通常出現(xiàn)在靠近焊縫的母材上，沿著焊縫平行的方向擴(kuò)展；裂紋的開裂主要呈沿晶擴(kuò)展，裂紋中充滿氧化物；應(yīng)力水平要達(dá)到材料的屈服應(yīng)力時(shí)裂紋才會(huì)發(fā)生；隨著堿濃度升高，開裂敏感性升高；隨著溫度的升高，開裂敏感性升高。

5 結(jié)論

本文以某化工企業(yè)中1 臺(tái)管殼式換熱器管箱為研究對(duì)象，通過(guò)應(yīng)力分析、強(qiáng)度評(píng)定、工藝分析、金相分析和X 射線能譜分析，對(duì)該換熱器管箱出現(xiàn)開裂失效的主要原因進(jìn)行了分析，并得到以下結(jié)論。

（1）該換熱器管箱筒體與隔板連接的角焊縫處存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，局部應(yīng)力最大值為808 MPa；管箱隔板強(qiáng)度評(píng)定結(jié)果為不合格，即不滿足應(yīng)力強(qiáng)度要求。

（2）管程介質(zhì)中添加了大量的磷酸三鈉，換熱器管程長(zhǎng)期在典型的堿性介質(zhì)環(huán)境中運(yùn)行，磷酸三鈉極易在管箱和隔板連接的角焊縫等角落處凝結(jié)和蒸發(fā)，從而造成磷酸三鈉濃縮，堿性濃度較高。

（3）管箱裂紋大多沿晶擴(kuò)展，且可以并觀察到沿晶開裂的二次裂紋；裂紋縫隙中充滿氧化物，裂紋周圍也有氧化現(xiàn)象；裂紋縫隙部位存在較多的O，Na和P 元素。

（4）該換熱器管箱長(zhǎng)期處于高應(yīng)力集中、高設(shè)計(jì)壓力、高設(shè)計(jì)溫度和強(qiáng)堿性的環(huán)境下，因此該換熱器管箱裂紋為高應(yīng)力水平下堿應(yīng)力腐蝕引起的開裂。