換熱器管板應力開裂問題分析

郭莉

（濟鋼集團國際工程技術有限公司，山東 濟南 250101）

換熱器管板應力開裂問題分析

郭莉

（濟鋼集團國際工程技術有限公司，山東 濟南 250101）

某鋼廠固定管板式換熱器換熱管與箱體管板焊縫多次出現開裂泄漏，復合管板存在分層現象，分析表明，原因為換熱管與箱體壁板之間在開停車時的溫差應力過大引起，熱應力引起裂紋。從工藝操作上盡量減小開停車時換熱器冷熱側介質的溫差，采用換熱器管板下浮動技術，通過加設膨脹節，避免了應力開裂。

換熱器管板；溫差應力；腐蝕開裂

某鋼廠大型固定管板式換熱器投運1 a后，換熱器管板角焊縫多次出現泄漏情況，管板的復合層和基層有局部脫離的情況。換熱器管板兩端漏點較多，管板復合層和基層分離的部位在中間。通過查看現場，發現泄漏點是在換熱管與管板連接的焊縫處。換熱器泄漏造成了脫硫項目的非正常停車，給生產和環保帶來極大的壓力。分析換熱器管板角焊縫泄漏的原因，通過加設膨脹節，合理調整開停車制度，成功避免了應力開裂的出現。

1 開裂原因分析

可能造成換熱器管板角焊縫產生泄漏問題的原因有：1）熱應力引起的裂紋；2）下管板脹接段出現腐蝕性漏點；3）翅片管在焊制過程中產生的對管壁的熔透性缺陷；4）換熱管自身或成型過程形成的缺陷；5）應力腐蝕引起的焊縫開裂。由于該換熱器在項目投運后，短期內出現過管板角焊縫泄漏的情況，對該區泄漏的換熱管角焊縫實施了補焊。此次出現泄漏，對照以上可能出現泄漏問題的原因，排除其他原因的可能性，認為熱應力引起裂紋的可能性最大。

熱應力導致換熱管角焊縫開裂的原因：1）制造過程中焊條選用不合適；2）該換熱管角焊縫焊角高度不夠；3）溫差應力大于焊縫許用應力。該設備作為項目重要工藝設備，在制造過程中實施了全過程監制，故前2個原因造成焊縫開裂的可能性極小。通過查閱管板換熱器的運行記錄，發現換熱器的煙氣側存在長時間超溫運行情況。結合現場情況，發現靠壁側換熱管變形嚴重，確認超溫引起的換熱管溫差應力過大是主要原因。換熱器管板兩端漏點較多，管板復合層和基層分離的情況出現在中間，進一步證明了換熱器換熱管與箱體壁板之間的溫差應力存在過大的可能。

換熱器壁板的加強筋尺寸為110 mm×55 mm×10 mm，貫通上下管板，外至保溫層。分析認為，該加強筋嚴重限制了箱體壁板與換熱管之間的同步膨脹，造成了局部管板與換熱管的強力拉脫現象，形成泄漏。按照GB 151-1999（鋼制管殼式換熱器）關于對復合管板的規定，換熱管與管板之間的連接結構應該采用復合層和基層都開槽的形式，然后采用強度脹加強度焊連接的方式。此換熱器復合管板的基層和復合層上沒有開槽，也沒有采用強度脹，而是采用貼脹加強度焊的連接方式，不符合標準規定要求。

為進一步確定溫差應力對管板角焊縫的應力影響程度，對上述結構的模型進行了運行狀態下不同溫差的膨脹量計算。通過模擬正常開車、常溫運行和突然停車時的參數，計算出換熱管和無加強筋壁板的膨脹量之差。從計算數據看，使換熱管和壁板產生最大膨脹應力的情況，正是在突然開車和停車的情況下產生的。而換熱器正常運行時，換熱管與壁板的膨脹差近乎可以忽略。產生該現象的原因是，100℃時不銹鋼的線膨脹系數為16.84×10-6℃-1，而碳鋼的線膨脹系數為10.76×10-6℃-1。對自然膨脹量的計算結果同時表明，不銹鋼換熱管在管壁最高溫度為120℃時，其自然膨脹量達到8 mm，若碳鋼壁板在加強筋的作用下不能同步膨脹，則兩者的膨脹差遠超過計算的最大結果。該計算結果表明，開、停車時的升溫、降溫速率會直接影響溫差應力的大小。

2解決方案

首先，從工藝操作上盡量減小開停車時換熱器冷熱側介質的溫差。根據溫差應力的計算結果，在開車升溫時，換熱管內冷側液體和煙側的溫差不要超過20℃；停車降溫時，煙道煙氣和換熱管內胺液之間的溫差不超過10℃。由于冷側液體和熱側煙氣溫度都有儀表數字顯示，所以從實際操作方面，實現溫差控制是可行的。

其次，從根本上解決溫差應力問題的存在，即大型設備的熱補償與穩定技術的平衡問題。在經過反復核算后，采用了在大型設備上很少采用的浮動膨脹加框架穩定結構技術。計算浮動端設備重量載荷、持液量引起的下浮動端載荷，均布到換熱管之后，對單根換熱管產生的應力非常小，可以忽略不計。決定采用換熱器管板的下浮動技術，即將下端管板附近箱體斷開，加設膨脹節。受拉載荷為下部管板、封頭、配管及持液靜載荷。該載荷分布到所有換熱管上的均布載荷較小，使上、下管板的角焊縫均承受輕微的拉應力，該方案有效保護了復合管板的復合層與基層不分離。加設膨脹節后，浮動端箱體承受介質橫向沖擊載荷的能力降低，可能會加劇管束振動。為此，從換熱器的耳座向上，用型鋼延伸形成自由立柱，與箱體內2層內部支撐板連接，使箱體形成一個穩定的框架結構，消除了箱體的振動。

3 改進效果

本次改造從結構上徹底消除了換熱器殼體和換熱管內的溫差應力，同時從操作上減小了開停車過程中冷熱側流體的溫差，規避大溫差形成的操作條件，設備運行的可靠性得到提高。該固定管板換熱器經過以上改造后，于2009年8月運行投產，2 a來沒再出現過換熱管角焊縫泄漏的情況。

TK172

B

1004-4620（2011）04-0080-01

2011-05-23

郭莉，女，1970年生，1992年畢業于山東建筑大學建筑環境與設備工程專業?，F為濟鋼集團國際工程技術有限公司工程師，從事暖通設計工作。