熱網(wǎng)加熱器管裂紋產(chǎn)生原因分析

房強

摘要：由于管樣出現(xiàn)硬度不均勻問題，容易導(dǎo)致熱網(wǎng)加熱器管出現(xiàn)裂紋問題，在變徑過渡位置會因為應(yīng)力過度集中導(dǎo)致加熱器管出現(xiàn)振動疲勞問題，甚至?xí)斐蔁峋W(wǎng)加熱器管出現(xiàn)連續(xù)性泄露的問題，將會造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失，因此相關(guān)工作人員需要全面分析造成熱網(wǎng)加熱器管出現(xiàn)裂紋的主要原因。本文首先分析裂紋位置和實驗方法，其次探討實驗結(jié)果，最后研究出現(xiàn)裂紋的原因，以期對相關(guān)研究具有一定的參考價值。

關(guān)鍵詞：熱網(wǎng)加熱器管;裂紋;原因分析

引言

在使用熱網(wǎng)加熱器管的過程中，受到流動介質(zhì)沖擊力的影響，容易出現(xiàn)振動問題，在振動中若是出現(xiàn)振動疲勞，極易引發(fā)疲勞裂紋的出現(xiàn)，因此在實際加工制作的過程中，工作人員需要結(jié)合造成疲勞裂紋的原因，制定一些預(yù)防舉措，避免加熱器管出現(xiàn)裂紋影響正常使用的問題。

1 裂紋位置

在對出現(xiàn)裂紋的熱網(wǎng)加熱器管進(jìn)行宏觀拍攝時，可以發(fā)現(xiàn)裂紋通常會聚集在管樣變徑位置，管道的外壁位置具有很多碰磨印跡，管樣裂紋的中部位置具有一些圓形凹坑，管樣裂紋的斷面位置并未出現(xiàn)明顯氧化以及腐蝕的痕跡，且并未出現(xiàn)顯著的塑性變形問題。

2 實驗方法

在管樣裂紋開口的最大位置、裂紋尖端位置、裂縫側(cè)面位置上分別截取一塊作為試樣，將其依次編號為試樣1、試樣2、試樣3。首先，工作人員需要使用砂紙對試樣進(jìn)行粗磨、拋光，再使用硫酸銅鹽酸進(jìn)行處理，其次，運用ZEISS 顯微鏡觀察試樣情況，根據(jù)《金屬平均晶粒度測定方法》對試樣晶粒度評級，通過維氏硬度試驗檢查試樣的硬度，再次，運用EDS能譜儀分析試樣的化學(xué)成分和組織表征[1]。

3 分析實驗結(jié)果

3.1 分析顯微組織

在分析試樣顯微組織時可以發(fā)現(xiàn)，裂紋附近位置和遠(yuǎn)離裂紋位置的顯微組織并不存在顯著的差異，在利用顯微鏡進(jìn)行評級時，裂紋試樣的平均晶粒度處于8級-9級，裂紋端口位置比較平整、無明顯撕拉情況、并未出現(xiàn)變形問題。通過顯微鏡觀察可以發(fā)現(xiàn)，熱網(wǎng)加熱器管上的裂紋基本都是從外壁位置向內(nèi)壁位置進(jìn)行延展的，裂紋的端部位置并未出現(xiàn)尖銳情況，裂紋能夠直接通過晶粒，表明管樣裂紋在擴(kuò)展的過程中可以做到穿晶斷裂。除此以外，并未發(fā)現(xiàn)比較顯著的二次裂紋問題，管樣裂紋位置并未出現(xiàn)交叉狀況。

3.2 分析電鏡掃描情況和能譜成分分析情況

裂紋中心位置均出現(xiàn)了比較明顯的碰磨現(xiàn)象，充分表明管樣出現(xiàn)的裂紋問題和管道上出現(xiàn)的凹坑具有緊密關(guān)聯(lián)。工作人員在對最大凹陷位置進(jìn)行成分分析時可以發(fā)現(xiàn)，管樣裂紋的最大凹坑位置主要構(gòu)成成分包括硅、鉻、錳、鐵、鎳、鉬 ，并未出現(xiàn)硫、氯等具有腐蝕性的化學(xué)元素，這就意味著管樣出現(xiàn)裂紋的原因與化學(xué)腐蝕不具有直接關(guān)聯(lián)。

通過電鏡掃描可以發(fā)現(xiàn)熱網(wǎng)加熱器管上的裂紋斷面并不存在顯著的塑性變形問題，證明管道裂紋的斷裂形式是脆性斷裂，試樣表面位置具有很多磨損印跡，經(jīng)過推測發(fā)現(xiàn)，是管樣夾出現(xiàn)松動引發(fā)的隨機振動問題，相鄰管道之間的管壁出現(xiàn)碰撞摩擦造成的，因此管樣裂紋的斷面位置具有很多條處于平行狀態(tài)的疲勞型裂紋。由于熱網(wǎng)換熱器管在正常使用時，溫度通常會達(dá)到150攝氏度到350攝氏度，可以排除由于高溫問題造成管道出現(xiàn)疲勞裂紋現(xiàn)象。

3.3分析試樣硬度

在對試樣1、試樣2、試樣3斷口周邊位置展開硬度分析時，可以發(fā)現(xiàn)管樣各個位置的維氏硬度可以達(dá)到246，試樣的平均維氏硬度能夠達(dá)到176，充分表明管樣在硬度上處于分布不均勻的狀況。根據(jù) ASME SA-213M要求可知，剛才的維氏硬度通常不會超出200，而加熱器管的試樣硬度已經(jīng)超出標(biāo)準(zhǔn)硬度要求，這就意味著管樣的局部位置存在維氏硬度過高的問題，導(dǎo)致管樣的塑性以及韌性逐漸降低，在一定程度會提升管樣材料的脆性，容易縮減加熱器管的實際應(yīng)用期限。因為換熱器管的正常運行溫度在150到350的攝氏度之間，管樣在該范圍以內(nèi)的時候，管樣不會出現(xiàn)局部位置硬度突然上升的問題，因此造成管樣出現(xiàn)硬度不均勻的問題，主要集中在加工制造管樣、安裝管樣中[2]。

3.4 分析受力情況

在研究熱網(wǎng)加熱器管裂紋位置的應(yīng)力情況時，首先需要對管樣模型實施模擬計算，應(yīng)該通過管樣模型劃分網(wǎng)格，在實際工作情況下，由于換熱器管并不是逐節(jié)固定的管夾，因此在進(jìn)行受力分析時，需要在換熱器管的一段變徑位置增加固定的約束力，在管樣外壁位置增加0.7兆帕的壓力，在內(nèi)壁位置增加80卡帕的管程壓力，然后進(jìn)行模擬觀察，發(fā)現(xiàn)管樣變徑位的內(nèi)壁位置，處于應(yīng)力過度集中的狀態(tài)，由此可知該位置即為管樣的危險區(qū)。

4 出現(xiàn)裂紋的原因

通過進(jìn)行SEM分析以及金相綜合分析可知，加熱器管出現(xiàn)的裂紋是疲勞裂紋，管樣在硬度上處于分配不均勻的狀態(tài)，局部位置存在硬度值過高的問題，在管樣韌性降低的同時，脆性會隨之增加，使得局部位置出現(xiàn)應(yīng)力不均勻的狀態(tài)，形成了比較薄弱的位置，此處極易出現(xiàn)裂紋問題。與此同時，管樣的變徑位置在截面面積出現(xiàn)變動的時候，容易出現(xiàn)應(yīng)力比較集中的問題，而應(yīng)力集中會直接影響管樣的疲勞強度，使得管樣在變徑位置上出現(xiàn)應(yīng)力均勻性比較低的問題，致使管內(nèi)介質(zhì)出現(xiàn)流動速度加快的問題，從而造成加熱器管出現(xiàn)不正常的振動現(xiàn)象。

而變徑后的管樣在管壁位置使用管夾進(jìn)行固定處理時，導(dǎo)致未固定處理的變徑位置出現(xiàn)的振動現(xiàn)象更加明顯，這是變徑前管樣出現(xiàn)裂紋問題的原因。如果管樣變徑位置出現(xiàn)管卡夾持不當(dāng)?shù)膯栴}、松動問題，管內(nèi)介質(zhì)在進(jìn)行傳輸?shù)倪^程中將會引發(fā)振動，甚至?xí)?dǎo)致該位置出現(xiàn)橫向狀態(tài)的振動問題，從而產(chǎn)生共振現(xiàn)象出現(xiàn)振動疲勞問題，造成管樣在并未出現(xiàn)裂紋萌生現(xiàn)象的情況下出現(xiàn)直接裂紋擴(kuò)展問題[3]。管樣在出現(xiàn)橫向振動狀況時，會使管內(nèi)介質(zhì)和內(nèi)表面位置出現(xiàn)橫向沖擊現(xiàn)象。管樣的外壁位置若是存在很多碰撞印跡，也可以表明管樣在使用時出現(xiàn)隨機振動現(xiàn)象，在振幅增多的情況下，管樣之間會出現(xiàn)互相碰撞的問題，將會加劇磨損程度。

5 試驗結(jié)論和預(yù)防舉措

如果管樣本身出現(xiàn)硬度均勻性不足的問題，導(dǎo)致局部位置形成脆弱部分，是容易引發(fā)裂紋問題的一大原因，在綜合使用SEM分析以及金相分析管樣裂紋斷面位置，可以確定裂紋是疲勞斷裂裂紋。如果管樣變徑位置出現(xiàn)應(yīng)力不均勻問題、局部位置出現(xiàn)應(yīng)力過度集中的問題，在加熱器管使用時將會出現(xiàn)振動疲勞問題，在這些問題的共同影響下，導(dǎo)致管樣裂紋的進(jìn)一步擴(kuò)展，甚至?xí)?dǎo)致管道出現(xiàn)泄露問題。

因此相關(guān)工作人員需要使用一些行之有效的防控舉措，避免熱網(wǎng)加熱器管出現(xiàn)裂紋問題。首先，工作人員應(yīng)該提升對加熱器管生產(chǎn)加工原材料的管控力度，定期監(jiān)督管理管樣金相組織的變化情況和硬度變動情況，避免管樣材料出現(xiàn)硬化傾向[4]。其次，工作人員需要把控好管道介質(zhì)的流速，能夠進(jìn)一步降低管樣振動的頻率，有助于減少振幅大小。再次，工作人員需要對正處于運行狀態(tài)的管樣，開展全面的受力情況分析，有針對性的優(yōu)化調(diào)整管道結(jié)構(gòu)，降低加熱器管出現(xiàn)隨機振動問題的概率，從而防止共振問題導(dǎo)致的振動疲勞使加熱器管出現(xiàn)失效現(xiàn)象。

結(jié)論：綜上所述，熱網(wǎng)加熱器管容易出現(xiàn)裂紋問題，工作人員應(yīng)該結(jié)合裂紋情況，全面研究造成裂紋的原因，避免換熱器管上出現(xiàn)裂紋問題，從而減少換熱器管出現(xiàn)故障的幾率。

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