管殼換熱器換熱管失效分析

王 軍，呂林君，王良初，陸水龍

（1.紹興市特種設(shè)備檢測(cè)院，浙江紹興 312071；2.浙江新和成特種材料有限公司，浙江紹興 312369）

0 引言

換熱器是在不同溫度的兩種或兩種以上流體間實(shí)現(xiàn)熱量傳遞的一類容器。其中，管殼式換熱器又稱列管式換熱器，是以封閉在殼體中管束的壁面作為傳熱面的間壁式換熱器。這種換熱器結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，操作可靠，可用各種材料制造，能適應(yīng)各種復(fù)雜工況和工藝過(guò)程的使用，是目前化工企業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用最廣泛的類型。

由于換熱器的工況多種多樣，換熱器失效時(shí)有發(fā)生，對(duì)生產(chǎn)安全造成了一定的影響。管殼換熱器規(guī)范以GB/T 151—2014《熱交換器》為基礎(chǔ)，通常是以常規(guī)設(shè)計(jì)為主，設(shè)計(jì)資料一直未將管束振動(dòng)等計(jì)算列入。但是，由于換熱器發(fā)生管束振動(dòng)，造成設(shè)備失效乃至停產(chǎn)停運(yùn)的事故仍不時(shí)有報(bào)道[1]。尤其是由于流體誘發(fā)振動(dòng)引發(fā)的換熱管破壞，成為常見(jiàn)的破壞原因，也是國(guó)內(nèi)外研究的一個(gè)焦點(diǎn)。

值得注意的是，在很多強(qiáng)化傳熱的研究中，換熱管在適當(dāng)范圍內(nèi)的振動(dòng)可以造成一定的擾流作用，而最常用的方法就是增大介質(zhì)的流速，有些采取減少固定約束，造成管束的振幅加大。但是，考慮到換熱管是撓性部件，當(dāng)殼程介質(zhì)橫流速度達(dá)到臨界值，換熱管就有產(chǎn)生共振的風(fēng)險(xiǎn)[2]，從而引起換熱管的變形破壞等。管殼換熱器中管束有成百上千個(gè)，破壞往往發(fā)生在局部，因此橫流速度最大區(qū)域的管子，成為破壞的起點(diǎn)。因此在出現(xiàn)換熱管破壞的案例中，需要特別注意這些區(qū)域的換熱管。

1 故障概況

圖1 換熱管布置

表1 換熱器主要參數(shù)

該換熱器投用6 個(gè)月之后，因廠內(nèi)工藝需要，并聯(lián)的同結(jié)構(gòu)同參數(shù)的換熱器停用。設(shè)備繼續(xù)運(yùn)行3 個(gè)多月之后，發(fā)現(xiàn)殼程導(dǎo)熱油高位槽介質(zhì)中產(chǎn)生白霧，初步判斷導(dǎo)熱油系統(tǒng)中有不明來(lái)源的帶水汽介質(zhì)混入。隨即使用單位緊急停產(chǎn)，進(jìn)行故障排查，發(fā)現(xiàn)有7根換熱管開(kāi)裂（圖2）。隨即對(duì)開(kāi)裂的換熱管實(shí)施抽管作業(yè)，進(jìn)一步分析原因。

圖2 換熱管開(kāi)裂

圖3 換熱管金相組織

2 檢測(cè)分析

2.1 外觀檢查

將抽出的換熱管進(jìn)行外觀檢查，7 根管子均產(chǎn)生1 條貫穿的裂紋，成不規(guī)則環(huán)狀，分布于換熱管的端部，其位置距離下管板內(nèi)側(cè)約10 cm。靠近裂紋端部，可見(jiàn)長(zhǎng)度22～25 mm 粗短節(jié)，其長(zhǎng)度與管板厚度相同，系采用脹管工藝產(chǎn)生的正常塑性變形。個(gè)別裂紋閉合，肉眼難以識(shí)別，在拉彎作用下才可分辨開(kāi)口。開(kāi)裂的換熱管外部其余部分沒(méi)有出現(xiàn)明顯的變形、腐蝕等損傷。

2.2 材料檢查

為了確認(rèn)換熱管材料，采用布魯克便攜式合金分析儀對(duì)發(fā)生開(kāi)裂的材料進(jìn)行元素分析，分析結(jié)果見(jiàn)表2。元素成分符合304#材料的成分要求，經(jīng)與出廠資料進(jìn)行對(duì)比，材料不存在用錯(cuò)混用等異常情況。

表2 換熱管成分分析

2.3 金相檢測(cè)

按照GB/T 4334—2020《晶間腐蝕試驗(yàn)》的要求，在實(shí)驗(yàn)室條件下，對(duì)換熱管進(jìn)行金相檢驗(yàn)，分析其微觀結(jié)構(gòu)。微觀形貌顯示奧氏體晶界平直，無(wú)腐蝕溝，晶粒呈臺(tái)階狀，為一類階梯組織，是換熱管正常的金相組織，說(shuō)明管道材料并未發(fā)生變化。經(jīng)材料分析及金相檢測(cè)，基本可以排除材料存在問(wèn)題。

3 流體誘發(fā)振動(dòng)校核

由于發(fā)生破裂的管子集中處于導(dǎo)熱油出口部位，在折流板的作用下，導(dǎo)熱油產(chǎn)生明顯的橫向流動(dòng)，管子在該部位存在較大橫流速度，且在破壞前由于工藝變化，導(dǎo)熱油流量的突增導(dǎo)致橫流速度加大。因此需要考慮工況改變導(dǎo)致管束的振動(dòng)情況，特別是注意到類似設(shè)備曾發(fā)生過(guò)類似問(wèn)題，且在設(shè)計(jì)資料中同樣未按照GB/T 151—2014 附錄C 進(jìn)行流體流體誘發(fā)振動(dòng)校核[3]，故而按照產(chǎn)品制造標(biāo)準(zhǔn)GB/T 151—2014 進(jìn)行校核。

3.1 模型構(gòu)建

根據(jù)換熱器的技術(shù)資料，按照使用工藝，對(duì)換熱器主要影響計(jì)算的結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)分解，建立計(jì)算模型（圖4）。

3.2 主要參數(shù)確定

熱交換器殼體內(nèi)徑D 為0.8 m，換熱管外徑d 為0.019 m，壁厚0.00 20 m，管孔中心距s 為0.025 m，正三角形排列，管長(zhǎng)6 m，兩管板內(nèi)側(cè)間距為5.877 m，折流板厚tb為0.008 m。折流板布置見(jiàn)圖4。

3.3 橫流速度

對(duì)主要參數(shù)的確定。通過(guò)對(duì)換熱管布置的分析及計(jì)算，換熱管各列總間隙0.15～0.23 mm，在最小間隙處橫流速度最大。按照廠方提供的操作參數(shù)，導(dǎo)熱油正常流量達(dá)到211 680 kg/h 時(shí)，熱交換器進(jìn)口處的橫流速度可達(dá)到0.997 m/s，熱交換器出口處的橫流速度可達(dá)到0.839 m/s，折流板間的橫流速度可達(dá)到0.638 m/s。

3.4 卡門旋渦頻率fv1

經(jīng)計(jì)算，進(jìn)口處的卡門旋渦頻率為11.80 Hz 出口處的卡門旋渦頻率為9.93 Hz，折流板間的卡門旋渦頻率為7.58 Hz。

3.5 換熱管固有頻率f1

換熱管剛性在折流板缺口處最差，估算換熱管一階固有頻率，導(dǎo)熱油進(jìn)口側(cè)為20.32 Hz，導(dǎo)熱油出口側(cè)為19.27 Hz。

3.6 臨界橫流速度

流動(dòng)角為30°，節(jié)徑比為1.32 的管束，在已知換熱管的對(duì)數(shù)衰減率為0.03 的情況下，可以得到臨界橫流速度為0.485 m/s。

3.7 振幅計(jì)算y

通過(guò)計(jì)算可得熱交換器進(jìn)口處的振幅最大達(dá)到0.000 77 m，換熱器出口處的振幅最大達(dá)到0.000 49 m，折流板間的振幅最大為0.000 28 m。正常情況下，一般振幅應(yīng)不大于0.02 d0，在該換熱器中，換熱管允許的振幅為0.000 38 m，可見(jiàn)換熱器進(jìn)出口位置換熱管的振幅已經(jīng)超過(guò)推薦允許值。

3.8 流體誘發(fā)振動(dòng)判定

由于熱交換器進(jìn)口處的橫流速度V1=0.997 m/s>臨界橫流速度VC1=0.485 m/s；熱交換器出口處的橫流速度V1=0.839 m/s>臨界橫流速度VC1=0.485 m/s；折流板間的橫流速度V2=0.638 m/s>臨界橫流速度VC1=0.485 m/s 可以得知，除了在折流板間外，換熱器進(jìn)出口處的最大振幅已經(jīng)超過(guò)推薦允許的振幅，意味著換熱管出現(xiàn)了超過(guò)允許的振動(dòng)，流體誘發(fā)振動(dòng)最終導(dǎo)致?lián)Q熱管開(kāi)裂。

4 原因分析

導(dǎo)熱油流動(dòng)在穿過(guò)換熱管時(shí)，換熱管可以看作是兩段固定的細(xì)長(zhǎng)梁，流動(dòng)帶來(lái)了本身具有彈性的換熱管產(chǎn)生位置偏移，從而產(chǎn)生流體誘發(fā)振動(dòng)。殼程導(dǎo)熱油流速的適當(dāng)增加，增加了導(dǎo)熱油的紊流場(chǎng)，有利于傳熱效率的提升。流量的激增導(dǎo)致導(dǎo)熱油穿過(guò)換熱管的橫向流速度增大，導(dǎo)熱油誘發(fā)振動(dòng)的頻率與換熱管的固有頻率處于敏感范圍，換熱管的振幅激增。由于換熱器管束是撓性部件，振動(dòng)無(wú)可避免，振幅處于敏感區(qū)促使換熱管產(chǎn)生周期性的大振幅振動(dòng)。由于殼程進(jìn)出口是速度最大的區(qū)域，管板處由于受到管板的約束，受力情況更加復(fù)雜，因此靠近管板處也最易發(fā)生流體誘發(fā)振動(dòng)的區(qū)域。

在本案例中，管道產(chǎn)生誘發(fā)振動(dòng)的原因是由于工藝變化導(dǎo)致了橫流速度的大幅增加，導(dǎo)致?lián)Q熱管的一階固有頻率與導(dǎo)熱油的卡門旋渦頻率達(dá)到可以產(chǎn)生流體誘發(fā)振動(dòng)的敏感區(qū)域，同時(shí)從振幅可以看出，換熱管已經(jīng)產(chǎn)生了高振幅的振動(dòng)，換熱管在流體誘發(fā)振動(dòng)的作用下，在速度最大的導(dǎo)熱油進(jìn)出口處，換熱管工況最為惡劣，成為易發(fā)生開(kāi)裂的區(qū)域。

5 應(yīng)對(duì)措施

根據(jù)振動(dòng)產(chǎn)生的原因，可以采取的防振措施主要有：①通過(guò)設(shè)置進(jìn)口旁通等分流措施，改變導(dǎo)熱油的流量，進(jìn)而進(jìn)一步降低流過(guò)換熱管的橫流速度；②在將換熱管與周圍換熱管設(shè)置夾、增楔形物、平直插等增加管子剛性，改變管子支撐，通過(guò)改變換熱管的固有頻率來(lái)避免產(chǎn)生流體誘發(fā)振動(dòng)；③改變折流板的形式與布置，用雙弓形折流板、三弓形折流板代替單弓形折流板等；④在兼顧工藝的條件下，減小換熱管的跨距，從而增大換熱管的固有頻率。

6 結(jié)束語(yǔ)

盡管多年以來(lái)，GB/T 151—2014《熱交換器》已經(jīng)將流體誘發(fā)振動(dòng)的設(shè)計(jì)列入，但是并未強(qiáng)制要求在設(shè)計(jì)中予以明確。在大跨距及流體混合可能產(chǎn)生嚴(yán)重后果的換熱器設(shè)計(jì)中，應(yīng)當(dāng)明確最大流量，最大限度降低發(fā)生流體誘發(fā)振動(dòng)的影響。