關(guān)于換熱器缺陷產(chǎn)生原因的分析

摘要 在換熱器制造、使用的過程中，經(jīng)常遇到換熱器因缺陷發(fā)生泄漏，特別是換熱器使用中的缺陷經(jīng)常導(dǎo)致整套裝置停車，不僅影響生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)性，還常常直接威脅人身安全。結(jié)合換熱器的生產(chǎn)和使用情況，分析換熱器缺陷的產(chǎn)生原因，預(yù)防壓力容器事故發(fā)生，保障人身和財產(chǎn)安全。

關(guān)鍵詞：制造;使用;換熱器;缺陷

1、換熱器泄漏產(chǎn)生的原因分析

在換熱器制造、使用的過程中，換熱器因缺陷產(chǎn)生泄漏是經(jīng)常遇到的現(xiàn)象。缺陷產(chǎn)生的原因主要有制造工藝和質(zhì)量、密封性缺陷、換熱器管束端口破裂泄漏等。有原材料質(zhì)量問題，足，也有制造施工工藝、質(zhì)量過程控制等方面的問題。

1.1 制造過程中的泄漏

在壓力容器的制造過程，對換熱管與管板貼脹后耐壓試驗(yàn)的過程中，發(fā)現(xiàn)一臺換熱器有8支換熱管管端開裂。（材質(zhì)：09MnD，規(guī)格為Φ19*2mm）通過現(xiàn)場制造工藝復(fù)驗(yàn)，并從8支開裂換熱管中抽取典型缺陷樣管進(jìn)行分析。

制造現(xiàn)場缺陷照片如圖 1（a）和圖 1（b）所示，缺陷宏觀形貌一致，長度 3～5cm。

1.1.1 制造工藝分析。根據(jù)圖紙要求，換熱管規(guī)格φ19×2，管孔直徑為19.25±0.10mm，脹接方法為液囊液壓脹接，脹囊直徑φ14.8mm，脹接壓力110～130MPa，脹度k值控制在2～3%。從脹接工藝性試驗(yàn)的解剖截面來看，脹接工藝符合要求。

1.1.2 檢測分析

將樣管切段，分別進(jìn)行化學(xué)成分分析、壓扁和擴(kuò)口試驗(yàn)、室溫拉伸試驗(yàn)及金相檢驗(yàn)。

1.1.3 化學(xué)成分

換熱管生產(chǎn)廠家采用 Spark CCD 6000 直讀光譜儀對換熱管試樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，我單位也對本次開裂換熱管進(jìn)行抽樣送檢，其結(jié)果如表 2 所示。可見樣管成分均滿足采購標(biāo)準(zhǔn) NB/T47019-2011 要求。

1.1.4 室溫拉伸試驗(yàn)

按 GB/T228.1-2010 要求對所取樣管進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn)，結(jié)果見表 3，可見樣管室溫拉伸性能均滿足采購標(biāo)準(zhǔn) NB/T47019-2011 要求，尤其延伸率均大于等于40%，可見其塑性非常好。

1.1.5 壓扁試驗(yàn)

按 GB/T246-2007 要求對所取樣管進(jìn)行壓扁試驗(yàn)，壓扁后平板距離 H 分別為：11mm，壓扁后試樣宏觀可見壓扁樣管表面均無裂紋。

1.1.6 擴(kuò)口試驗(yàn)

按 GB/T 242-2007 對所取樣管進(jìn)行擴(kuò)口試驗(yàn)，擴(kuò)口頂芯錐度為 60°，外徑擴(kuò)口率為 10%，擴(kuò)口后試樣宏觀檢查樣管表面無裂紋。

1.1.7 金相組織

在圖 1（a）中標(biāo)識位置切取金相試樣，其金相組織如圖 4 所示。由圖 4 可以看出，缺陷均成貫穿性，缺陷及附近基體處的顯微組織均正常;缺陷形貌一致，缺陷均起源于管子內(nèi)表面，開口狀，晶粒圓潤，表明此處缺陷是管子出廠前就已存在，此處缺陷與管子徑向呈約 15°夾角，基本是穿孔后毛管就存在缺陷。

綜合分析表明，上述管子出廠前就已存在較深的缺陷，在設(shè)備制造過程中缺陷受外力作用擴(kuò)展至貫穿。

換熱管表面在成形過程中往往存在著一些原始缺陷，如砂眼、重皮、凹坑、劃痕等。此處泄漏的換熱管在接近外表面時呈 V 形，且晶粒出現(xiàn)輕微拉長，可以看出缺陷是在設(shè)備制造過程中，管子受外力作用導(dǎo)致缺陷擴(kuò)展至開裂。

對于換熱管來說，一般就兩個地方容易損傷泄漏，一是管子與管板的連接處，二是管子本身泄漏。換熱管損傷的原因：換熱管由于流體介質(zhì)的腐蝕、磨損、沖刷、裝配拉傷以及管子本身存在的缺陷或壁厚偏差大等原因產(chǎn)生裂紋、穿孔而發(fā)生泄漏。

2.密封面的缺陷問題

泄漏主要集中在各個法蘭連接的密封面。密封泄漏的原因主要有以下幾點(diǎn)：

（1）墊片型式的問題。一般根據(jù)不同的介質(zhì)，溫度和壓力等級選擇不同的墊片，對大中直徑的換熱器法蘭面，選用墊片也應(yīng)該充分考慮變形量。

（2）密封面不平。換熱器法蘭密封面在加工過程中存在缺陷，變形、劃痕和夾渣等缺陷，導(dǎo)致密封不嚴(yán)而發(fā)生泄漏。

2.1 換熱器管束端口泄漏

2.2焊接缺陷。特別是焊接接頭處未熔合和未焊透危害較大，管子與管板焊縫處開裂，由于該連接處的不連續(xù)性，內(nèi)應(yīng)力最大，也是經(jīng)常產(chǎn)生缺陷的位置。而在用換熱器由于介質(zhì)的腐蝕作用（包括應(yīng)力腐蝕、縫隙腐蝕等），接頭處強(qiáng)度下降，使管束失效或產(chǎn)生泄漏。

2.3 管子振動。在換熱器的使用過程中，由于換熱器使用中所處理的流體介質(zhì)，有的是懸浮液，有點(diǎn)夾帶固體顆粒，有的粘結(jié)物含量較高，有點(diǎn)還含有泥沙、藻類等雜質(zhì)。隨著換熱器運(yùn)行時間的延長，往往會因流體介質(zhì)的腐蝕、沖刷，在換熱器各傳熱面都有產(chǎn)生結(jié)垢或積污，甚至堵塞，因而使換熱器各傳熱面的傳熱系數(shù)或傳熱面積減小，從而使換熱器的換熱能力大大降低，隨著污垢層的加厚，將會使介質(zhì)的通徑減小。在壓力不變的情況下，通道變小，則介質(zhì)的流速加快，誘導(dǎo)振動產(chǎn)生的幾率也會不斷增加，進(jìn)而導(dǎo)致?lián)Q熱管束中管子的振動，并將致使管束損傷失效。

當(dāng)管束中換熱管的振幅變大時，將致使換熱管相互作用，發(fā)生碰撞和變形，當(dāng)這種情況得不到改善時，碰撞嚴(yán)重的換熱管就會開裂。

在殼程側(cè)防沖板設(shè)置不當(dāng)，在物料的沖擊下，管束也會產(chǎn)生不同程度的振動，這也是需要預(yù)防的常見損傷。

2.4其他常見腐蝕和損傷

換熱器常見的腐蝕主要有均勻腐蝕、孔蝕、縫隙腐蝕、應(yīng)力腐蝕破裂（ SCC）和腐蝕疲勞、沖刷腐蝕、氫腐蝕、晶間腐蝕等。

在運(yùn)輸、制造過程中，管束的機(jī)械損傷也是需要避免的重點(diǎn)之一。

3 分析結(jié)論

（1）制造過程嚴(yán)把材料關(guān)，換熱管應(yīng)逐根檢查，有缺陷的換熱管要排除。

（2）制造廠在進(jìn)行管束與管板焊縫的工藝編制中，可設(shè)置成兩道焊，即先自熔一道，再熔絲焊一道，這樣就能較好的解決焊接缺陷;焊接后進(jìn)行貼脹，預(yù)防縫隙腐蝕和應(yīng)力腐蝕的發(fā)生。

（3）加工管板、折流板等時，需嚴(yán)格控制尺寸，在保證換熱管能順利穿入的前提下，管孔直徑和同心度偏差越小越好。

（4）嚴(yán)把墊片質(zhì)量關(guān)，依據(jù)不同的介質(zhì)，溫度和壓力等級選擇相應(yīng)的墊片等級種類。

（5）在運(yùn)輸、制造過程中，管束起吊必須采用布帶或尼龍帶，保證金屬表面平整、無劃痕、能夠順利入殼。

（6）檢修時嚴(yán)格控制各項(xiàng)程序，管束清洗完、試壓完畢后應(yīng)及時通風(fēng)干燥。

參考文獻(xiàn)

[1]GB/T 151-2014? 《熱交換器》 2014

[2]《換熱器》? 中國石化出版社有限公司? ?蘭州石油機(jī)械研究所 編? 2013.

作者簡介：黃建祥（1981—），男，本科，工程師，籍貫：湖南，湘陰，主要從事鍋爐壓力容器壓力管道檢驗(yàn)檢測和研究工作。