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高效换热器换热管失效分析点击：2092 日期：[ 2014-04-26 21:39:20 ] |
| 高效换热器换热管失效分析 马小明 余启超 (华南理工大学机械与汽车工程学院) 摘 要：通过对高效换热器换热管进行宏观观察、微观观察、金相、X射线荧光和X射线衍射等方面的分析,确定了其失效的主要原因是应力腐蚀,同时针对失效发生的原因提出了相应的预防措施。 关键词：换热器 换热管 应力腐蚀 失效分析 中图分类号：TQ051·5 文献标识码：B 文章编号：0254-6094(2011)03-0364-03 高效管壳式换热器由于其结构特点,常发生多种形式的失效,主要表现为热应力或附加应力、工作介质的腐蚀性、换热管束的振动等因素造成换热器局部或整体失效。笔者所论述的失效设备为E1501缩放管高效管壳式换热器,主要失效部位位于管板内侧与换热管连接处,有20多条换热管发生泄漏,换热管外径为18mm,内径为13mm,壁厚为2. 5 mm,换热管材料为奥氏体不锈钢。该换热器用于将温度为225℃,压力为0. 6MPa的压缩空气冷却到40℃以下,其壳体直径为750mm,壁厚6mm,总传热面积为65m2。 1 理化检测与分析 1.1 宏观分析 对失效试样进行宏观观察,发现换热器管板上的管孔间有明显的腐蚀痕迹。换热管断口表面有浅色垢层,大多数换热管的波纹段外表面有污垢覆盖,污垢样呈泥土色泽,管内表面局部存在较厚的污垢。选取含裂纹管样,沿轴线剖开,观察到管外存在贯穿性裂纹,同时也存在未贯穿裂纹,未贯穿裂纹从换热管的内壁向外壁扩展。宏观观察显示换热管起裂于内壁面并向外壁面扩展。 1.2 微观分析 在换热管断口附近用线切割切取试样进行电镜扫描观察[1],可看出裂纹沿换热管内表面向外表面延伸,且含有二次裂纹,如图1所示,断口局部存在冰糖块状与解理特征共存的形貌,冰糖块状区域靠近换热管断口的内表面,如图2所示。观察结果表明,裂纹起裂于管壁内表面,靠近内表面的裂纹具有典型的沿晶应力腐蚀断裂特征。 1.3 断口表面污垢的能谱分析 对换热管断口表面覆盖物区域进行能谱分析,能谱区域如图3所示,分析结果见表1。从表1中可以看出,断面覆盖物中含有Cl元素,说明换热管内表面的腐蚀产物中含较高水平的Cl元素,疑为内表面腐蚀介质条件。 取换热管的管间垢样分别进行X射线衍射分析和X射线荧光分析。X射线衍射分析结果表明,垢样主要含CaCO3、SiO2、MgP4O11、Mg(OH)2。X射荧光分析结果表明,垢样中Ca、P、Mg离子含量较高,同时也有Cl离子,含量为7×10-4,这是奥氏体不锈钢应力腐蚀的敏感性介质,具体分析结果见表2。由表2可知,换热管垢层中含有Cl元素,这是奥氏体不锈钢应力腐蚀的敏感性介质。 1.4 换热管材料的金相分析 分别对换热管不同部位的取样进行金相组织分析[2],在抛光态下显示裂纹是由其内表面向外扩展,并存在二次裂纹(图4)。图5显示换热管母材金相组织为孪晶奥氏体,裂纹扩展呈混晶型。试样内表面显示晶间腐蚀形貌,且内表面腐蚀严重(图6)。随机抽取部分换热管波纹段并沿轴线剖开,未发现明显可见的宏观裂纹,对取样进行金相观察发现管内表面晶间腐蚀痕迹明显,且内壁部位存在裂纹,换热管外表面未见裂纹和腐蚀形貌。 2 换热管的胀接与应力分析 2.1 胀接过程 换热器中换热管与管板的连接采用胀接结构。胀接是靠换热管的塑性变形和管板孔的弹性变形产生预紧力来达到密封和紧固的目的。当换热管承受某一定值的内压时,其内表面首先开始屈服,这时换热管所能承受的内压为弹性极限内压p1,随着内压p的不断增大(p>p1),换热管内表面的塑性区范围也不断扩大,整个换热管内、外表面先后达到屈服阶段,这时的内压为换热管的塑性极限内压p2。换热管在其塑性极限内压p2的作用下,内压不变而变形可以继续增大,内压p将通过其外表面同时作用在管板孔上,换热管外径与管板孔之间将产生一定的接触压力p3,随着p增加p3也相应增加,达到某一数值时,管板孔的内表面由弹性状态开始进入屈服状态,此时管板孔的接触压力称为弹性极限接触压力p4,管板孔由于接触压力增大而全部进入塑性状态时的极限接触压力,称为极限塑性接触压力p5,管板孔在内压p4<p<p5下的屈服状态是不允许的,这时管板孔失稳产生塑性变形,发生塑性流动。内压p卸除后,换热管与管板孔之间由于弹性变形产生残余接触压力p6,p6就是换热管和管板密封、紧固的预紧力。 2.2 应力分析 由于换热管与管板采用胀接方式连接,因此换热管受到较高水平的残余应力。换热管中的介质为高温压缩空气,温度需从225℃冷却到40℃以下,考虑材料的热胀冷缩性质,换热管高温端表现为拉应力,低温端表现为压应力,由于受管板的约束,在换热管和管板之间产生轴向上较大的内应力。换热管的残余应力与内应力为其失效提供了应力因素。 3 失效原因 理化检验和应力分析结果表明,换热管开裂具有典型的应力腐蚀特征。金属构件发生应力腐蚀开裂必须同时满足材料、介质和应力3种特定条件,分别对这3个因素进行分析: a.材料因素。应力腐蚀一般发生在构件材料表面能形成良好保护膜所处的环境中,保护膜具有耐腐蚀的性能,当保护膜在应力和腐蚀作用下遭到破坏时,材料的开裂过程才得以进行[3]。材料的纤维组织、热处理工艺均会影响其耐腐蚀能力。本案例中换热管管材为奥氏体不锈钢,是对氯化物应力腐蚀敏感的材料,为其应力腐蚀提供了材料因素。 b.介质因素。换热管工作介质中含有Cl元素,由于换热管外表面温度较高,Cl元素易积聚,检测结果表明,Cl元素含量高达7×10-4,这为其应力腐蚀提供了介质条件。 c.应力因素。换热管与管板采用胀接的方式连接,使得换热管内壁存在较高水平的残余应力,在工作条件下,由于材料的热胀冷缩性质,换热管与管板之间存在较大的内应力,残余应力和内应力为其失效提供了应力条件。 4 结束语 综上所述,材料、介质、应力3种因素相结合,导致换热管发生了应力腐蚀开裂失效。为防止类似事故重复发生,建议选择耐Cl元素应力腐蚀的不锈钢换热管,如双相不锈钢管等[4];严格控制介质中Cl元素含量,并进行实时监控;改进换热管轧制与胀接工艺,避免对换热管内壁造成损伤。 参考文献 [1]吴连生,张静江,刘正义等.机械装备失效分析分析图谱[M].广州:广东科技出版社2003. [2]任颂赞,陈质如,张静江等.钢铁金相图谱[M].上海:上海科学技术文献出版社, 2003. [3]廖景娱,刘正义.金属构建失效分析[M].北京:化学工业出版社. 2003. [4]羊忆军,沈和云,倪丞舜.换热器换热管失效分析[J].上海应用技术学院学报, 2003, 3(3): 169~171. |
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