熱交換器殼程圓筒開裂失效原因分析

蘇暢

摘要：某熱交換器在使用過程中發(fā)生殼程圓筒開裂失效，通過對失效部位打磨和檢查，對失效原因進(jìn)行分析。分析表明，二臺設(shè)備共發(fā)生的四處開裂，為局部結(jié)構(gòu)高應(yīng)力引起的機(jī)械疲勞斷裂。裂紋區(qū)域與殼程內(nèi)頂部筋板端部和圓筒連接部位重合，斷口方向沿筒體周向與局部結(jié)構(gòu)應(yīng)力方向垂直，應(yīng)與筋板承受彎曲應(yīng)力及結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中相關(guān);拉撐結(jié)構(gòu)傾斜角與標(biāo)準(zhǔn)存在較大差異，導(dǎo)致與筒體連接部位在局部高應(yīng)力作用下，在筒體內(nèi)部產(chǎn)生初始裂紋并沿厚度及彎曲應(yīng)力垂直方向擴(kuò)展，最終導(dǎo)致貫穿性開裂。針對失效原因，提出了使用建議與改進(jìn)措施。

關(guān)鍵詞：熱交換器? ? ? ?殼程? ? ? 開裂? ? ? 失效分析

中圖分類號：TE965? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ?文章編號：1672-3791（2022）06（b）-0000-00

近年來，我國西南地區(qū)天然氣開采、凈化與集輸產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛，工藝系統(tǒng)與關(guān)鍵技術(shù)自主化也取得了長足進(jìn)步[1]。但由于工藝系統(tǒng)運(yùn)行與過程數(shù)據(jù)積累深度尚不充分，導(dǎo)致部分關(guān)鍵設(shè)備的設(shè)計與使用管理經(jīng)驗有所缺失，發(fā)生了設(shè)備損傷、失效等現(xiàn)象，輕則導(dǎo)致裝置被迫停工、停產(chǎn)，重則導(dǎo)致燃爆事故發(fā)生，影響企業(yè)的健康發(fā)展[2-3]。該文通過對西南某天然氣凈化廠回收裝置二臺在役熱交換器殼程圓筒本體開裂失效事故進(jìn)行分析，對該類型設(shè)備的設(shè)計與使用管理提出了改進(jìn)建議與措施，供同行借鑒。

1開裂設(shè)備簡介

1.1 設(shè)備概況

某凈化廠二臺同工位熱交換器（以下簡稱設(shè)備1與設(shè)備2）于2015年投入使用，是該廠關(guān)鍵工藝設(shè)備。其作用是管程介質(zhì)以Claus工藝反應(yīng)過程氣為原料，殼程以鍋爐補(bǔ)水為冷源，在管/殼程的間壁換熱作用下，管程過程氣中的硫蒸氣冷凝并在出口收集，從而實現(xiàn)單質(zhì)硫回收。設(shè)備規(guī)格為?1800 mm×12000 mm。

1.2設(shè)備結(jié)構(gòu)

設(shè)備采用固定管板式熱交換器結(jié)構(gòu)，其中管板按照殼體不帶膨脹節(jié)的拉撐管板（以下簡稱“管板”）設(shè)計[4]，兩端結(jié)構(gòu)相同，詳見圖1。設(shè)備采用非對稱布管結(jié)構(gòu)，管板中下部區(qū)域均勻布管，上部區(qū)域不布管預(yù)留殼程蒸發(fā)空間，管板不布管區(qū)采用斜拉筋（筋板）加強(qiáng)。殼體與斜拉筋材質(zhì)均為Q245R板材，管板材質(zhì)為20鋼鍛件。2020年7月發(fā)生殼程圓筒本體開裂，殼程蒸汽泄漏，裝置被迫停工。二臺設(shè)備開裂部位類同，且各有兩處，均位于管程工藝氣進(jìn)口前管板與殼程圓筒頂部連接處附近，分別標(biāo)記為F1和F2，詳見圖1。

2開裂設(shè)備檢查

2.1 宏觀檢查

設(shè)備1現(xiàn)場泄漏的部位詳見圖2，設(shè)備2現(xiàn)場泄漏的部位詳見圖3。

經(jīng)過宏觀檢查，管板與殼體焊接接頭處未見裂紋，兩臺設(shè)備的裂紋F1和F2均位于殼程圓筒頂部的母材區(qū)域，距管程進(jìn)口管板焊縫約250 mm，裂紋方位與殼體環(huán)向焊縫平行。

兩臺設(shè)備的裂紋F1和F2均處于跨筒體中心線的兩側(cè)，位置分布對稱，形貌相似。裂紋附近實測壁厚無明顯的減薄，亦無明顯的局部腐蝕，裂紋已貫穿筒體，并使內(nèi)部蒸汽泄漏，裂紋處未見明顯的腐蝕產(chǎn)物?；诂F(xiàn)場裂紋形貌的檢查結(jié)果，經(jīng)宏觀檢查判斷，該裂紋不屬于韌性斷裂，主要考慮容器筒體韌性破裂在宏觀上一般表現(xiàn)為筒體局部產(chǎn)生鼓脹等塑性變形，在充分鼓脹后迅速撕裂開一條較長的裂縫，且與筒體受內(nèi)壓作用最大主應(yīng)力方向垂直，即容器筒體韌性斷裂裂紋方向應(yīng)沿筒體軸線方向[5-7]。而圖2與圖3顯示裂紋方向與筒體受內(nèi)壓作用最大主應(yīng)力方向平行，沿筒體周向，且未見筒體明顯鼓脹塑性變形，故筒體韌性斷裂可能性小[8]。

2.2裂紋檢查

現(xiàn)場對殼程圓筒的2處局部裂紋進(jìn)行打磨，裂紋貫穿殼程筒體，可見殼程內(nèi)部斜拉筋，且拉筋位于裂紋寬度1/2處。設(shè)備1裂紋情況詳見圖4，設(shè)備2裂紋情況詳見圖5。

3設(shè)備開裂原因分析

3.1 設(shè)備材料

經(jīng)過對設(shè)備筒體材料質(zhì)量證明書進(jìn)行檢查，殼程圓筒母材為Q245R正火板，且進(jìn)行逐張超聲檢測，鋼板無分層等原始缺陷，排除材料原始缺陷。

3.2設(shè)計計算

3.2.1殼程圓筒

按設(shè)備結(jié)構(gòu)尺寸與設(shè)計參數(shù)，根據(jù)GB/T 150[9]圓筒計算公式，且考慮GB/T151推薦不可抽管殼式換熱器殼程圓筒最小厚度，殼程圓筒壁厚不應(yīng)小于13 mm，殼程圓筒實際取用板材厚度為18 mm，滿足設(shè)備設(shè)計要求。

3.2.2管板

設(shè)備所用薄管板的計算方法是基于有拉撐的管板計算，管板中下部均勻布管區(qū)域考慮換熱管對管板的拉撐作用，管板上部非布管區(qū)域考慮斜拉筋對管板的拉撐作用。筆者按GB/T 16508.3[10]對管板及斜拉筋進(jìn)行校核計算，同時對布管區(qū)域換熱管、布管區(qū)周邊換熱管及布管區(qū)外的斜拉筋支撐面積進(jìn)行劃分與繪制，詳見圖6。

3.2.3筋板結(jié)構(gòu)情況

現(xiàn)場設(shè)備實物筋板采用45°斜撐結(jié)構(gòu)，圖紙筋板設(shè)計結(jié)構(gòu)詳見圖7。

3.2.4筋板受力分析

管板拉撐面積劃分結(jié)果表明，斜拉筋拉撐作用最大面積在筒體中心線兩側(cè)拉筋C1、拉筋C2處，從圖6量取兩個筋板對稱作用面積A，結(jié)果均為70 420 mm2，按殼程側(cè)設(shè)計壓力引起的斜拉筋截面A計算拉應(yīng)力σ：

斜拉筋在設(shè)計溫度下的許用應(yīng)力為128.5 MPa，計算拉應(yīng)力小于許用應(yīng)力，斜拉筋強(qiáng)度滿足自身強(qiáng)度要求。

現(xiàn)場設(shè)備實物筋板與GB/T 16508標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)（詳見圖8）及要求存在較大差異，主要區(qū)別為拉撐角度與連接端局部結(jié)構(gòu)，考慮失效部位與筋板連接端重合，需采用應(yīng)力分析對結(jié)構(gòu)的應(yīng)力水平進(jìn)行計算，評估結(jié)構(gòu)風(fēng)險。

3.3應(yīng)力分析及對比

對設(shè)備建立分析模型，模型1為設(shè)備實際結(jié)構(gòu)，模型2為GB/T 16508結(jié)構(gòu)，兩者筋板位置、數(shù)量相同，并施加相同的壓力和溫度載荷[10-12]，分析結(jié)果見圖9～16。

對比圖15和圖16可知，設(shè)備采用的結(jié)構(gòu)，模型1筋板上最大應(yīng)力為240 MPa，最大應(yīng)力點在筋板與殼程圓筒連接處的尖端，且最大應(yīng)力作用方向沿設(shè)備軸向，與筒體薄膜應(yīng)力的主應(yīng)力方向為垂直關(guān)系。在同樣的邊界條件與載荷下，模型2筋板上最大應(yīng)力為129 MPa，僅為設(shè)備實際采用結(jié)構(gòu)的54%。

3.4結(jié)果分析

根據(jù)現(xiàn)場觀察結(jié)果與以上分析結(jié)果，裂紋?區(qū)域與殼程內(nèi)頂部筋板端部和圓筒連接部位重合，?斷口方向沿筒體周向與局部結(jié)構(gòu)應(yīng)力方向垂直，應(yīng)與筋板承受彎曲應(yīng)力及結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中相關(guān)。考慮高溫端管板側(cè)為設(shè)備產(chǎn)氣量較大區(qū)域，管板上下部分存在一定溫差，且操作過程存在一定載荷波動;非對稱布管需設(shè)置拉撐承受管板的壓力及溫度載荷;標(biāo)準(zhǔn)拉撐結(jié)構(gòu)采用較大傾斜角（不應(yīng)小于60°）及根部圓滑過渡結(jié)構(gòu)，減小連接位置的應(yīng)力集中;但本項目拉撐結(jié)構(gòu)傾斜角（45°）與標(biāo)準(zhǔn)存在較大差異，導(dǎo)致與筒體連接部位在局部高應(yīng)力作用下，在筒體內(nèi)部產(chǎn)生初始裂紋并沿厚度及彎曲應(yīng)力垂直方向擴(kuò)展，最終導(dǎo)致貫穿性開裂。

4建議

（1）定期檢驗：對設(shè)備高溫側(cè)與拉撐連接的筒體及管板區(qū)域進(jìn)行超聲檢測掃查[13]，如發(fā)現(xiàn)裂紋，進(jìn)行消缺處理。（2）運(yùn)行監(jiān)測：對設(shè)備高溫側(cè)與拉撐連接的筒體及管板區(qū)域進(jìn)行聲發(fā)射在線監(jiān)測。（3）操作：開、停工期間控制升/降溫速率，減少溫差應(yīng)力;運(yùn)行期間，減少工藝負(fù)荷波動。

5結(jié)語

（1）參照GB/T 16508優(yōu)化筋板結(jié)構(gòu)，應(yīng)降低局部連接部位應(yīng)力水平，與管板及筒體連接的結(jié)構(gòu)區(qū)域局部倒圓，避免采用尖銳結(jié)構(gòu)導(dǎo)致應(yīng)力集中。

（2）采用多層次斜拉桿布置結(jié)構(gòu)，降低拉撐元件作用區(qū)域的局部應(yīng)力，同時改善管板與殼程圓筒整體受力情況，減小拉撐元件的作用力，同時使拉撐元件的作用范圍趨于均勻。

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