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换热器试运行期间管束焊缝发生疲劳断裂分析点击：1966 日期：[ 2014-04-26 21:54:01 ] |
| 换热器试运行期间管束焊缝发生疲劳断裂分析 路宝玺 (上海赛科石化股份有限责任公司,上海 201507) 摘 要：采用金相、扫描电镜方法对304L不锈钢换热管试运行期间的焊缝开裂进行了分析。宏观分析和微观分析表明管子与管板连接的焊缝断裂是疲劳破坏所致。流体诱导导致的管束共振是换热管短期失效的主要原因,胀接不合格、焊接缺陷加速了管束的疲劳失效。 关键词：换热器;疲劳;管束共振;焊接缺陷;胀接 中图分类号：TE965 文献标识码：B 文章编号： 1001-4837(2010)04-0051-04 do:i 10. 3969/.j issn. 1001-4837. 2010. 04. 012 1·引言 由于换热器结构的复杂性和使用工况的多样性,常引发多种形式的失效[1]。造成换热器管子与管板连接接头的失效原因是多方面的,如接头因高温应力松弛失效;管束在流体的冲击下产生振动,导致接头的疲劳破坏;操作不当使温度和压力频繁波动引起的循环载荷所导致的疲劳失效等[2~4]。设备的失效与制造、安装和操作等都密切相关。设备在运行期间即发生失效尚少见,本例换热器管在试运行当天就发生断裂失效,具有典型性,文中对其断裂原因进行分析、总结,对指导换热器的制造、运输和安装具有重要的实用价值。 失效的冷凝器管束为304L不锈钢,管板为16Mn复合304L不锈钢板,为固定管板式换热器。壳程介质为冷却水,工作压力0. 7MPa,工作温度38℃;管程介质为水蒸气+少量有机物,工作压力-80 kPa,工作温度47℃。新设备安装后进行试运行,试运行期间壳程通入循环水,流量Q=510 m3/h。管内通入蒸汽,密度600 kg/m3。但试运行发现壳程的真空度无法达到,同时发现管程的液位异常升高。打开设备发现有多根管子在焊缝处断裂并泄漏。从试运行到泄漏约24 h,图1示出泄漏现场照片。 2·断口宏观分析 对断裂的管子取出进行分析。在取管子过程中发现管子取出时没有阻力,另外,从拆下的管子检查发现,胀接区的尺寸和非胀接区的尺寸没有差别,这说明失效的管子在制造时胀接不到位而未胀紧。图2示出断口宏观形貌,断裂是沿焊缝处脱开的,断口光亮,有放射纹和贝壳纹,是疲劳特征。对换热器进行解剖检查发现折流板有大约30 mm的移位。折流板的定位杆套管尺寸短,在定位螺栓和定位杆之间存在较大间隙,同时,折流板孔径偏大。因此,在吊装、运输过程中出现较大移位。 3·材料化学成分和金相分析 为考察材料性能,判断失效是否与材料性能有关,对材料进行成分分析、力学性能测试和金相分析。材料化学成分分析结果见表1。从表中可以看出,材料成分符合304L奥氏体不锈钢的牌号要求。 对管子采用原样进行拉伸试验,试验表明抗拉强度Rm为588MPa,断后伸长率A为50%。图3示出焊缝和管子连接处金相组织,组织为单相奥氏体,组织正常。 从材料成分、力学性能和金相组织可看出,材料符合要求。 4 ·试样断口扫描电镜分析 图4示出管子焊缝沿管板脱开处断口扫描电镜形貌。图4(a)显示焊缝与管子未完全贴合,焊缝上有多处起源的放射纹并有贝壳纹,这是由振动导致的,裂纹从焊缝的内侧起裂向外侧(管板上)扩展;图4(b), 4(c)示出疲劳起源处形貌,裂纹起源处存在焊接缺陷,焊接过程发生氧化现象;图4(d)示出断口上的疲劳辉纹。 5·讨论 根据材料分析、断口分析和金相分析,换热器管束失效是疲劳所致。疲劳裂纹需要具备管子振动的条件和疲劳裂纹起源的条件。由于该根管子未胀紧,振动时传递到焊缝处而出现疲劳。而流体导致的管束共振可能是发生换热管短时疲劳破坏的基本条件[5]。以下对这些问题进行分析。 5. 1 失效换热器振动分析计算 由于折流板作用,水会产生横向流、紊流或涡流,导致管子的振动,一旦这种振动频率与管子的固有频率接近时就会产生共振。这种振动容易在壳体进口处产生[6]。 列管式换热器中由于壳程流体横向流动诱发管束振动主要原因有卡曼漩涡激振、紊流抖振、声学驻波振动、流体弹性激振和射流转换激振等5种形式。 总的说来,在横流速度较低时,容易产生周期性的卡曼漩涡或紊流漩涡,这时在换热器中既可能引起管子的机械振动,也可能产生声振动。当横流速度较高时,管子的振动一般情况下是由于流体弹性激振引起,但不会产生声振动。换热器振动计算模型如图5所示。按GB 151—99[7]的方法分别计算管子的固有频率、卡曼漩涡频率、紊流抖振的主频率和临界横流速度。计算结果如表2所示。 5. 2 管束发生振动可能性评判[8, 9] (1)判别卡曼漩涡振动发生的可能性计算各段列管处卡曼漩涡发生频率fv与列管自身的固有频率之比,若比值越接近1,则卡曼漩涡激振发生共振的可能性就越大。一般某振型固有频率的0. 85~1. 3倍范围内为共振区。 穿过折流板缺口处的列管: 出口处:fv1/f1=0.9 进口处:fv2/f2=1.244 折流板间:fv3/f1=0.798 折流板间穿过所有折流板共有部分的列管:fv3/f折=0.187 故对于该类管子,也不会发生卡曼漩涡振动。 (2)判别紊流抖振发生的可能性出口紊流抖振的频率ft1: 计算表明换热器进口和出口处发生了共振,这与实际情况相符。只有出现换热器管束共振的条件下,管子才能在很短的时间内发生疲劳断裂。 5. 3 疲劳裂纹起源 疲劳裂纹的起源阶段占整个疲劳寿命的比例比较大。焊口处发生的疲劳断裂起源于未焊透和焊接过程的氧化,这样有利于疲劳裂纹的萌生。根据疲劳裂纹的开裂机理,疲劳裂纹包括疲劳裂纹的萌生阶段和扩展阶段。一般,疲劳裂纹的萌生阶段会很长,但对于有缺陷的材料裂纹萌生的时间很短或者不需要裂纹萌生阶段而直接扩展[9]。从本例来看,焊接缺陷深度大约0. 2 mm,而且缺陷处存在应力集中,因此该缺陷作为疲劳裂纹的起源而不再需要裂纹的萌生阶段是很有可能的。 5. 4 胀接的作用 管壳式换热器制造过程中,换热管与管板连接结构的质量直接影响换热器操作运行的安全性和可靠性。胀接和焊接的质量对换热器的质量有直接的影响[10]。由于断裂的管子没有胀紧,因此,振动传到管口,焊接缺陷成为疲劳源。 6·结论 (1)通过对材料化学成分分析、断口分析和金相分析, 304 L不锈钢管子与管板连接处的焊缝开裂是振动疲劳所致; (2)振动的来源为换热器试运行期间循环水导致的管子振动频率与管子的固有振动频率接近而产生共振; (3)胀接不合格、焊接缺陷加速了管束的疲劳失效。 参考文献： [1] 吴金星,王志文.管壳式换热器失效分析、预防及在线检测[J].压力容器, 2001, 18(6): 57-60. [2] 陆怡,颜惠庚,宋瑞宏,等.换热管与管板液压胀接接头的疲劳性能[J].化工机械, 2003, 30(4): 198-201. [3] 何世恒,姚小静,王芳,等.一分加热器早期泄漏原因分析[J].压力容器, 2007, 24(1): 52-56. [4] 王琼琦,王正东,涂善东.乙二醛换热器换热管断裂原因分析[J].压力容器, 2009, 26(3): 49-53. [5] 任军平,张克锋,陶志远.加压塔再沸器失效分析与整改方案[J].压力容器, 2008, 25(1): 56-58. [6] 倪群.氧气反应器排气冷凝器失效分析[J].聚酯工业, 2002, 15(4): 55-58.[7] GB 151—99,钢制管壳式换热器[S]. [8] 雷国庆,张治川.板式换热器缝隙腐蚀[J].石油化工设备, 2003, 32(4): 66-67. [9] 聂北刚.焊趾疲劳裂纹的“萌生”[ J].机械强度,1998, 20(2): 108-111. [10] 陶申昌.管壳式换热器管板与换热管的连接[J].压力容器, 2002, 19(4): 17-19. 作者简介:路宝玺(1969-),男,工程师,从事化工设备的运行和管理工作,通讯地址: 201507上海市化学工业区上海赛科石化股份有限责任公司, E-mai:l lu. baox@i secco.com. cn。 |
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