內盤管接管泄漏成因及改進

梁 鵬 楊云雨 南京市鍋爐壓力容器檢驗研究院

內盤管接管泄漏成因及改進

梁 鵬 楊云雨 南京市鍋爐壓力容器檢驗研究院

對反應釜內盤管接管處發生泄漏的原因進行了探討，通過入釜檢查和有限元分析，確認了該處由于局部應力集中導致角焊縫出現微小開裂，并結合該釜結構特點和工況對其改進方法進行了討論。

內盤管 接管角焊縫 應力集中 改進方法

某化工廠一臺反應釜（位號R-0104)，其產品是通過釜內盤管中蒸汽提供的能量促進化學物料進行反應所獲得。生產時發現生產過程參數不穩定，產品不合格導致報廢。經驗分析推測是反應釜在生產產品時有循環水從接管焊縫處泄漏進入反應釜。為避免造成再次的生產事故，對其原因進行分析并整改[1]。

1 泄漏原因分析

1.1 釜內盤管結構

該反應釜內并列有12組φ60.3×5.6mm的蒸汽盤管，其下端與釜體下封頭部位焊接。每組盤管用3組導向支架固定在反應釜筒體的墊板上(見圖1)，盤管最上端倒“U”形部分與φ21.3×3.6mm的接管進行焊接共同焊接接入最上端總接管內，下部盤管作固定端。生產時需間斷地向盤管內通入約200℃的飽和蒸汽(或冷卻水用于降溫)。設計者最初的設想是：上部盤管作移動端，盤管變形時可向上自由移動；保證蒸汽盤管直段上部為自由端以增加盤管彈性和柔性，減少了盤管受熱時因膨脹而產生的熱應力。

圖1 盤管支架結構

1.2 宏觀檢查結果

盤管材料為不銹鋼類，接管三通為挖耳三通(見圖2)，其部位切割后發現，支管與主管開孔部位錯位焊接(見圖3)，其內外表面光滑，未見腐蝕或沖刷減薄現象；對焊接部位進行著色探傷，在蒸汽盤管直管段上部挖耳三通處的接管角焊縫根部處發現滲透劑被顯像劑吸附痕跡，放大鏡觀察發現有開口缺陷，泄漏性試驗進一步證實此處為穿透性開裂[2]。

圖2 挖耳三通

圖3 支管與主管開孔部位錯位

1.3 盤管結構分析

盤管下部固定，受導向支架的約束，盤管只能做縱向移動，當盤管底部通入蒸汽時，挖耳三通接管角焊縫處的應力主要來自三個方面：一是管道受熱膨脹產生熱應力，導向支架的約束作用使產生的熱應力由管道自身全部作用到上部焊接接管上；二是盤管直徑大于總管，根據流體力學原理，管徑的縮小導致流速變大，造成總管內壓變大，其壓力最終轉移上部焊接接管上；三是總管與盤管相連接的挖耳三通處 開孔錯位，導致蒸汽流動受阻，對總管造成縱向的沖擊，使三通角焊縫常處于拉伸狀態。由于工藝流程的需要，蒸汽內盤管需間斷地通入蒸汽導致蒸汽內盤管周期性地受熱膨脹和冷卻收縮。經過一段時間運行后，最上部挖耳三通處，在熱疲勞的作用再加上接管焊接缺陷(沒有開坡口進行焊接)，最終導致挖耳三通接管角焊縫處產生裂紋或開裂。

1.4 挖耳三通有限元分析

● 1.4.1 有限元模型

為進一步論證上述推斷，了解接管處的受力狀況，采用有限元方法，建立挖耳三通接管模型，如圖4所示。因對稱性，為使提升計算速度，采用1/2模型，采用對稱約束的方法進行分析[3]。

圖4 挖耳三通有限元分析模型

● 1.4.2 邊界條件及載荷的施加

根據挖耳三通接管的受力狀態，在模型端部施加軸向位移約束，對稱面施加對稱約束，管道內表面施加內壓P=1MPa。

● 1.4.3 結果分析

經計算后，挖耳三通接管的等效應力（第一強度理論）如圖5所示，可見接管處的應力主要集中在焊縫處，為進一步研究挖耳三通附近應力分布狀況，取路徑bd,bac,be進行分析，結果如圖6～圖8所示。焊縫相關線b點應力最大，同時集中程度很高，應力集中系數為6.9。越靠近三通相貫線位置應力越大，因此焊接時質量要嚴格控制或選擇鑄造成型的三通。同時因該盤管只限制水平位移，豎直方向的移動會產生疲勞載荷，也容易造成焊縫處疲勞開裂。

圖5 三通等效應力分布云圖

圖6 路徑bd應力分布

圖7 路徑bac應力分布

圖8 路徑be應力分布

2 改進方法

對上述接管角焊縫處進行開孔補強或改用標準三通接頭，其兩側采用對焊連接，施焊方便，改善三通部位受力狀況。

3 重新開車前的注意問題

在R-0104反應釜檢修工作(如焊渣清理、焊縫酸洗，管道試壓、管道復原等)完成后，使用時應首先打開蒸汽管道上的閥門，通入少量蒸汽進行暖管，并打開蒸汽管上的疏水閥進行排水。因為在蒸汽接管焊接修復過程中產生了焊接應力，如果不進行暖管而直接打開蒸汽閥門通入蒸汽，就會因溫度上升過快而造成管道局部應力集中，導致管道出現新的變形甚至產生裂紋等現象。暖管時要控制蒸汽流量及暖管速度，注意調節蒸汽管閥門的開度，以防止因蒸汽流量過大而導致盤管溫升過快，并盡快排出蒸汽盤管內的冷凝水。一般低壓暖管時，升壓速度為0.1MPa/min；升壓暖管時，升壓速度為0.5MPa/min[4]。暖管可消除或降低蒸汽盤管在修復過程中局部管段產生的部分附加應力，以減少和避免蒸汽盤管在工作中受力不均和應力集中的現象。

1 顧永泉.機械密封實用技術.北京：機械工業出版社,2001

2 全國壓力容器標準化委員會.壓力容器無損檢測.北京：機械工業出版社,1998

3 楊寧祥,李惠榮.異徑焊制三通應力的有限元分析.化工裝備技術,2006,(05)：25－27

4 李三軍.關于優化汽輪機起停操作的探討.廣東電力,2005, (5)：68－70

Discuss the cause of internal-coil leak in reaction kettle, through the on-site inspection into reaction kettle and f nite element analysis, conf rmed that there is a slight crack in angle seam due to local stress concentration, and discuss the improvement methods combining the reaction kettle’s structural features and working condition.

Internal-coil Pipe angle seam Stress concentration Improving methods

2013－07－31）