U形管式换热器管束失效分析及防范

·!"· 化 工 设 备 与 管 道 第 !#卷 $ 前言 管壳式换热器以其结构坚固、可靠性高、适应性 强、材料范围广等优点，广泛地应用在炼油、化工和 石油化工等行业。%形管式换热器具有管束可以自 由伸缩，不会因为管子与壳体间的壁温差而产生温 差应力；同时管束可以抽出，抽出部分重量轻，结构 简单，造价便宜等优点在工业中应用较为广泛。 在 %形管式换热器中，管束是最关键，同时也是 容易损坏的部件之一。 在直管式换热器中，壳体与管子之间不同的热 膨胀量是结构上发生问题的一大主要根源。在 %形 管式换热器中，由于壳体与管子之间不同的热膨胀 量而引起的热应力问题已消除，但是在 %形管结构 中却产生了由于管束二直管段不同热膨胀量导致的 热应力问题。 在大多数的实际应用情况中，%形管的设计要 具备足够的挠性，才能在温度变化不很大的情况下 使二直管段间温差不致产生高应力。对于某些 %形 管式换热器，%形管束会有较大的温度梯度，这样就 会在 %形管的弯管处引起较大的热应力，从而导致 管束失效。下面介绍我们在实际工作中遇到的二例 %形管式换热器管束失效的实例。设计者必须知道 如何通过改变某些设计参数来降低 %形管中的热应 力，以预防管束失效。 & 失效实例 （$）某化工厂双壳程全逆程结构 %形管式换热 器（’(#$）其结构尺寸见图 $，工艺参数见表 $。 使用情况：该换热器投用两年后，少数管束发生 少量泄漏。厂家采用管堵将泄漏 %形管堵住继续运 行不到一月，大量管束发生泄漏，设备彻底损坏，造 成停工。经检查发现泄漏点均发生在 %形管弯管下 半部及与其相连的直管段附近区域。由于管束表面 结垢严重，无法观察其泄漏点的破坏情况。 图 $ ’(#$结构尺寸简图 表 $ 工艺参数表（某化工厂） 管程 壳程 介质 导热油 甲醇、去离子水（)* + , # - $../） 操作压力 # - 0123 & - &123 入口温度 (#4 5 ) $&4 5 ) 出口温度 (## 5 ) &6# 5 ) 管束材质 #)7$"8 9$#: 9 换热管规格 !&4 ; & - 4 （ &）某石化厂双壳程 %形管式换热器（’(#&）其 结构尺寸见图 &，工艺参数见表 &。 使用情况：装置开车时，该设备使用 &天后管束 便发生多处泄漏，导致开工受挫。设备制造厂更换了 管束后，再次发生泄漏。厂家更换设备制造厂商重新 %形管式换热器管束失效分析及防范 周葆红 李言浩 王志亮 蒋霞 薛兆军 （齐鲁石化公司研究院，淄博 &44!##） （齐鲁石化公司机械厂，淄博 &44!##） 摘要 通过对两例 %形管式换热器换热管管束失效的分析，指出了在热应力作用下的应力腐蚀和不良材料在热应力下的脆断分别是 其失效的原因，以此为依据得出合理的处理 措施 《全国民用建筑工程设计技术措施》规划•建筑•景观全国民用建筑工程设计技术措施》规划•建筑•景观软件质量保证措施下载工地伤害及预防措施下载关于贯彻落实的具体措施 。通过对 %形管热应力的分析，指出了如何通过改变设备尺寸结构减小 %形管的热应力以及 用来优化设计中的指导意义 <从材料脆性缺陷的探讨中认识到制造中选用优质材料的重要性。 关键词 %形管式换热器 失效 应力腐蚀 脆化 热应力 分析 万方数据 ·!"·#$$%年第 &期 制造了一台，也发生了同样的情况，至此开车彻底失 败。三台换热器最长使用时间不超过 ’天。 图 # (%$#结构尺寸简图 表 # 工艺参数表（某石化厂） 管程 壳程 介质 导热油 甲醇、去离子水（)* + , $ - .//0） 操作压力 $ - &123 # - &123 入口温度 %$4 5 ) .%$ 5 ) 出口温度 %$$ 5 ) #"$ 5 ) 管束材质 $)6.78 9.#1 5#: 9 换热管规格 !." ; # % 事故分析及处理 %- .失效原因及处理结果 < .= 设备工况 由于换热管冷弯时的塑性变形，在 >形管弯管 处外缘存在着较大的残余拉应力，同时 >形管下直 管段及弯管处存在着较大的由于温差产生的拉应 力，因此，>形管束在某些区域具备了产生应力腐蚀 的必要条件之一（构件处于拉应力状态）。 从管束的工作环境来看，其管程内介质为导热 油，没有产生应力腐蚀的可能性，壳程介质为甲醇和 去离子水。由于水中的氯离子浓度小于 $- .//0，表 面上看来也不具备产生应力腐蚀的条件，但是考虑 到水被不断蒸发，其氯离子浓度会不断增加，就存在 产生应力腐蚀的可能性。根据前人的实际经验，奥氏 体不锈钢在含有 #//0的氯化物的水溶液中，温度小 于 #$$?的条件下即会发生应力开裂。该设备水的蒸 发量为 4#$@A B C，而壳体部分充水容积仅为 $- 40%，由 此不难看出，设备开工 #$小时后，氯离子的浓度就 会超过 #//0 D 随着开工时间的不断增长，氯离子的 浓度就会不断增加。这一点从换热器管束下部结垢 较为严重这一现象也能够得到充分证实。因此管束 具备了产生应力腐蚀的另一个必要条件（构件处于 腐蚀环境中）。 < #= 应力腐蚀开裂 材料处于拉应力情况下，又与腐蚀介质相接触 时，经过一段时间后，材料内部的微裂纹在拉应力及 腐蚀介质的双向作用下扩展，并发展到整个断面从 而引起应力腐蚀。应力腐蚀破裂的机理还没有完全 搞清楚，可以将裂缝的发生和发展分为三个阶段： " 金属表面生成钝化膜式保护膜； # 膜局部破裂，形成蚀孔式裂缝源； $ 裂缝向纵深发展。 前两个阶段，腐蚀都是在一个对流不通畅、闭塞 的微区内进行，通称为闭塞电池腐蚀。在第三个阶 段，由于金属内部存在一条狭窄的活性通路，在拉应 力的作用下，活性通路前端的膜反复的、间歇的破 裂，腐蚀沿着与拉应力垂直的通路前进。在闭塞处 （裂缝尖端）产生了氢，一部分氢可能扩散到尖端金 属内部引起脆化。在拉应力作用下，又可能发生脆性 断裂。裂缝在腐蚀和脆断的反复作用下迅速前进。 根据三阶段理论，化学介质在应力腐蚀的作用 下可分为三种："促进全面钝化；#破坏局部钝化； $进入缝内（主要是阴离子）促进腐蚀或放氢。 应力腐蚀只发生于一些特别的“材料 +环境”体 系，如“碳钢 + 8E%”；“铜 + 8F%”；“奥氏体不锈钢 + )* +”等体系中，而且还必须存在拉应力。由上述分 析研究可见本设备管束，就是在弯管处的残余拉应 力及温差产生的附加拉应力和环境中的氯离子的双 重作用下，发生的应力腐蚀，从而造成换热器管束失 效。 < %= 脆性断裂 (%$#管束使用时间很短就发生断裂，氯离子浓 度仍处于极低水平，换热管材料为 $)6.789.#15#:9对低 浓度氯离子（小于 .$$$//0）有很好的耐应力腐蚀性 能。因此初步断定 (%$#管束材质存在质量缺陷。从裂 纹表面特征可见 >形管是处于极脆状态下纯解理断 裂。 由于脆性材料的抗拉强度要低于其抗压强度，换 热管裂纹均发生在拉应力区域，从另一个方面证明 了换热管是脆性断裂。因换热管设计要求其工作应 万方数据 ·!"· 化 工 设 备 与 管 道 第 #"卷 力应该低于屈服限（!" $%），故属低应力脆断。 &$ %处理措施 由于 ’&"(为应力腐蚀，其防止应力腐蚀一般采 用以下的几种方法： " 通过热处理消除和减少拉应力； # 设计中选用低于临界应力腐蚀破裂强度的 应力值； $ 改进设计结构，避免应力集中； % 表面施加压应力； & 采用电化学保护、涂料、或缓蚀剂等； ’ 采用对应力腐蚀不敏感的材料。 根据该厂的实际情况，对于本设备我们建议将 管 束 材 料 换 为 对 氯 离 子 不 敏 感 的 材 料 ")*(+,-(%./%0-。该设备换热器管束更换材质后至今 使用已满六年，未发生泄漏。 ’&"%是低应力状态下的脆性断裂，应属材料质 量缺陷导致的管束失效。虽然 ’&"%曾更换制造厂制 造过两个换热器，但是所用管束换热管材料均是当 地的同一批号的管材，因此，我们建议更换优质的 ")*(+,-(%./%0-管材后，开车正常至今已满三年，效 果良好。 # ’&"%不良管材缺馅产生机理的探讨 从 ’&"%所用的 ")*(+,-(%./%0- 在较短时间内 就发生了失效来看，该管材必定存在质量缺陷。究竟 是什么原因造成该管材的质量缺陷？我们认为有三 种可能性：" 假材料，即材料的成分根本不是 ")*(+,-(%./%0-；# 回火脆性；$ 晶粒粗大导致脆化 和应力腐蚀。其中回火脆性和晶粒粗大可能同时存 在。由于我们无金相、晶粒度等测试手段，故无法对 该 ")*(+,-(%./%0-管材产生缺陷的原因做出准确的 鉴定，只能做一下理论的探讨。 #$ ( ’&"%不良管材成分分析 通过采用优质的 ")*(+,-(%./%0-，制造后 ’&"% 管束运行良好这一事实可以证明我们对导致 ’&"% 管束失效原因是由于制造采用了不良管材的判断是 正确的。那么究竟是什么原因导致该管材产生低应 力脆性断裂呢？’&"%管束失效后我们采集了一段失 效换热管样品，进行了化学成分化验，其结果见表 &。 由表 &可以看出，该管材的化学成分符合 12 (&%34 5 3(锅炉、热交换器用不锈钢无缝钢管的成分 要求，因此排除了假材料的可能性。 表 & 管束的化学成分表 ) 6- . 7 6 8 )* , - . / 0 - " $ "9 " $ + " $ (# " $ "%4 " $ "& (+ $ % (% $ + % $ & " $ ! #$ %不良管材性能分析 ’&"%是 :形管式换热器，且 :形管制造是采用 了冷弯工艺，在制造过程中 :形管处未产生断裂现 象，最小弯管半径 #";;，由此计算出 :形管冷弯后 的最大延伸率(大于 %&<，可见该管材在常温下表 现出良好的塑性。 通过裂纹断口宏观特征的分析，可得出该管材 在工作状态下表现为脆性材料。由表 %可知，该换热 管介质温度为 &"!=，管外介质为 (&"=，其平均温度 为 %(9$ !=，因导热油温降仅为 !=，说明导热油流量 远远大于壳程物料流量。另外，壳程物料是泡点进 料，因此换热管在工作时外壁物料迅速汽化，外壁工 作状态时应形成一层过热的气态薄膜，其热阻较大， 因此其外壁温度应远高于 (&"=，故换热管平均温度 应高于 %(9$ !=。 由此可见，该 ")*(+,-(%./%0-材料在 %%"=至 &("=的温度范围内表现出很高的脆性。该现象类似 于合金钢的回火脆性。 #$ & ’&"%不良管材的脆性探讨 ")*(+,-(%./%0-属奥氏体不锈钢，其韧性很好， 一般不会产生脆性。对于 ’&"%所用 ")*(+,-(%./%0- 在 %%"> &""=所表现出的脆性，可能是由于该管材 是技术力量薄弱的小厂生产。其钢锭在加热、轧制成 坯、二次加热、拔长等热加工时，工艺参数的选择不 合理，使钢材处于类似高温时效状态，造成某些高 )* 的铁类化合物析出。同时在产生高 )*化合物的周围 产生贫 )*的现象，导致组织偏析严重。在冷拔成型 后又未按标准要求进行固溶热处理或处理不当未能 消除其组织缺陷，而导致材料脆化。 #$ #晶粒粗大方面的原因 钢的原组织十分重要。由于热加工或热成型工 艺参数不合理，造成材料的晶粒粗大，在随后的热处 理则无法使晶粒细化。晶粒粗大不仅影响材料的力 万方数据 ·!"·#$$%年第 &期 表 ’ 平均管厚处温度随 ( 形管变化情况 管板层的距离 )** + $ , -%%’ -%%’ , "$!$" "$!$" , ""-!. ""-!. , "#--. "#--. , "’$&& 平均管厚处温度 )/ 0 + "1# 2 % ".% 2 $! "!" 2 ’ "%! 2 1 ""% 2 . 力发生在直管段 #切线折流板处。 例 #2 34在 "1-’年报道的一数值例题 。数据： 3 5 %$$6，!3 5 $2 "!6，7 5 %6，8" 58# 5 $，9" 59# 5 #!6，:" 5:# 5 #!6，; 5 $2 $-6，< 5 # = "$!>?:，" 5 $2 $$$$"’".** @**·A。最大总应力值为 "-’>?:。 由此可看出，在温度梯度较大时，(形管的热应 力是很大的。其发生的位置与我们提到的 <%$"， <%$#管束裂纹发生的位置吻合得非常好。 !2 %管束参数研究 对于一个给定的管外径6 和不同的热膨胀量 !，(形管中的最大应力值是管厚;，直管段长度3， 折流板间距: 或9，平均弯曲半径7，管外伸长度8" 或 8#，以及杨氏模量< 的函数。所有的几何参数都表 达为一管外径6 倍数的无量钢值。研究发现，管的外 学性能使之脆化，同时还严重地影响材料的抗应力 腐蚀性能。这是由于粗大的晶粒，在外加应力作用 下，可形成粗大的滑移阶梯，易使钝化膜破裂，促进 应力腐蚀的产生，使钢的抗应力腐蚀性能严重下 降。 有 实 验 证 明 ， 抗 应 力 腐 蚀 性 能 优 于 $0B"-CD"#>/#;D的 $$0B"-CD!>/%8D#，晶粒粗大时，在 ’$E0:0F#，"$$A溶液中，"’小时即产生应力腐蚀，由 此可见，<%$#所用不良 G0B"-CD"#>/#;D管材的脆性 断裂也有可能是因晶粒粗大，导致其抗应力腐蚀能 力显著下降，在氯离子环境中发生应力腐蚀造成 的。 ! 管束热应力分析 当 (形管式换热器管束在较大的温度梯度下运 行时，就会引起较大的热应力。在适当的环境中产生 应力腐蚀。因此设计者必须知道如何通过改变某些 设计参数来降低 (形管中的热应力。8DHIJ和 8/F4B 于 "1-’年提出了一种确定 (形管处热应力的经典 不连续分析方法。34也在 "1-’年推导出了可求得 ( 形管中因二直管段不同的热膨胀量而产生的最大应 力值的解析显式。 !2 " (形管束的力学模型 图 %为一典型 (形管式换热器的几何尺寸和双 跨距模型。管子的直段长度为 !，弯曲半径为 "。管 子侧向受到一定数量交叉折流板定位的支承。(形 管中较热的一直管段称为直管段 "。另一直管段为 直管段 #。(形管的外伸长度分别为定值8" 和8#，伸 出的最后一块支承折流板称为切线（;3）折流板，最 后一块折流板间距用9 表示，与其相邻的一块板间 距用 :表示。 假设 (形管处于温度场中而自由膨胀，直管段 " 比直管段 #膨胀量多!3，弯曲半径增长量为!7，由此 可得： !3 53·"· );" K;# + !7 57·"· );% K;B4L + 图 % (形管的几何尺寸和双跨距模型 !2 #计算实例 例 " 一根 (形管，其数据如下： 6 5 "#2 &**，; 5 "2 #!**，3 5 &1-"**，8" 58# 5 1#**，7 5 %%**，9" 59# 5 #$1**，:" 5:# 5 ’"-**，#5 $2 %，< 5 #2 $# = "$!>?:，" 5 $2 $$$$"’".** @**·A。 (形管的温度变化见表’。 计算结果!3 5 %2 %.**，!7 5 $2 $.&** 。 最大总应力（拉伸与弯曲）是 #!#2 1>?:，最大应 万方数据 ·!"· 化 工 设 备 与 管 道 第 #$卷 伸长度% 对最大管应力的影响程度很大。减小% 值 会引起结构挠性的降低，而导致弯曲应力的提高。对 最大应力有明显影响的其它设计参数是折流板间距 & 和弯曲半径’，增大其值，均有利于降低最大应 力。实际设计中，换热器的换热面积、热传递、流动引 起的振动等因素要求的限制，在多数情况下，仅有两 个可调的几何参数。它们是管子的外伸长度% 和管 子的平均弯曲半径’。在操作条件恶劣的情况下，合 理地选择换热器结构尺寸是非常重要的。 ( 结论 “容器的质量并非源于检测，而在于它的自 身”。设计和制造是保障容器自身质量的两个重要因 素。)*$+及 )*$"的失效就分别由于设计选材的不合 理和制造中使用不良材料直接造成的。合理设计是 保障设备质量的第一环节，通过对高温度梯度下 , 形管的热应力分析，有助于设计人员调整设计参数、 减小热应力。 通过两例 ,形管式换热器管束失效的分析，我 们得出对此类高温度梯度运行的汽化过热器的合理 设计方法。即：! 合理选择材料，以取得良好的综合 经济指标；$-.+/01+"23"41具有较好的经济指标。" 向设备制造厂推荐质量良好的材料生产厂家，以保 证材料无缺陷。# 适当增加管伸出长度 %，以降低 , 形管热应力值。$ 采用立式结构，使两直管段温差 降为最小，从结构上最大程度地降低热应力值，以提 高设备的可靠性。在此以后的工程设计中我们采用 了立式结构，使用效果良好，从而证明在该工况下采 用立式结构是合理的。 5 符号说明 6—直管段 +中均匀分布的折流板间距； 7 1、& 1—不同的折流板间距 81 9 +: ";； <—直管段 "中均匀分布的折流板间距； =—管外径； %>—直管段 +较直管段 "多的自由膨胀量； )—管材的杨氏弹性模量； >—管子的直管段长度； ’—平均弯曲半径； %—直管段 +和直管段 "相同的外伸长度； %+、%"—分别为直管段 +和直管段 "的外伸长 度； 4—管壁厚； 4+、4"—分别为直管段 +和直管段 "的加权平均 温度； 4*—,形弯管的加权平均温度； 4.?@—参照的环境温度； &A7B—最大应力值； ’—管材的线性热膨胀系数； %’—平均弯曲半径’ 由于温度升高而增加的 值； (—泊松系数。 参考文献 + 兰州石油机械研究所 C 管壳式换热器 C 中国石化出版社，+DD* " 左景伊 C 腐蚀数据与选材手册 C 化学工业出版社，+DD! * 徐坚 C 金属的应力腐蚀断裂 C 化工部设备设计技术中心站，+D/$ # 日本神奈川县高压气体协会 C 防止高温高压压力容器的破坏 C 中国石油化工总公司设备设计技术中心站，+D// ! 钢铁研究总院 南京炼油厂 C $$-.+/01!23*%1"双相不锈钢 C 化 工部设备设计技术中心站，+D/* ( 压力容器设计资料 C 第六届国际压力容器技术会议论文选 C 中 国压力容器协会，化工部设备设计技术中心站， !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! +D/D 欢 迎 刊 登 广 告 联系电话：（/(）E 8"+; E *"+#$*#" F /$( 万方数据