套管換熱器彎管開裂分析

滕春東

摘 要：固安縣天昊助劑有限公司一臺套管式廢水換熱器正常運行一年后，其中一段U型連接管在使用過程中發(fā)生開裂，通過分析得出裂管原因，并且提出預防措施。

關鍵詞：套管式換熱器；U型管；分析；預防措施

1 前言

我公司于2014年7月為固安縣天昊助劑有限公司設計了一臺套管式廢水換熱器，套管式換熱器是一種結構簡單，安裝靈活，傳熱面積增減自如，傳熱效能高的一種換熱器，投產(chǎn)后一直運行良好，但一年后卻出現(xiàn)一段U型連接管失效，其內拱側開裂的現(xiàn)象。

2 設計概況

該換熱器外管殼程公稱直徑DN65，內管管程公稱直徑DN40，管殼程設計壓力均為7.7MPa，設計溫度為280℃，采用TA10無縫鋼管制造。殼程介質為氧化水，管程介質為廢水，廢水中含有一定量的有機物及鹽類物質，經(jīng)化物所試驗研究決定采用TA10材料，進行強度計算，得出外管規(guī)格采用φ76×4.5mm，內管規(guī)格采用φ45×3mm，U型連接管亦采用φ45×3mm。破裂處的U型彎管，是管程中兩個U型套管的連接管，裂口位于彎管的內拱處（圖1）。

3 取樣分析

3.1 厚度測量

對該失效的U型彎管進行取樣檢測，在彎管破裂處和直邊段隨機處切開，對破裂處截面內拱、外拱及兩側進行了測量，對直邊段截面選取等分的4處進行了測量，測量厚度結果滿足強度計算中計算厚度的要求，測量厚度結果見下表（單位mm）。

3.2 宏觀觀察

直邊段切開后，觀察內壁，表面情況良好。開裂處外表面呈現(xiàn)金黃色，裂口呈喇叭口狀，長約45mm，寬度約為13mm，管壁明顯減薄，邊緣十分鋒利，具有韌性斷裂特征，觀察靠近裂紋位置內壁形貌，表面有明顯的腐蝕形貌，氧化較為嚴重，近距離觀察斷口側面形貌，靠近斷口位置已經(jīng)呈現(xiàn)紫藍色，且斷口周邊已經(jīng)有沿圓周方向的鼓起，呈氧化黃色。

3.3 掃描電鏡分析

將取下的開裂換熱器裂口浸入丙酮內經(jīng)超聲波清洗后放入掃描電鏡內，斷口形貌如圖所示（圖2），能觀察到極少量的韌窩形貌。斷口內壁存在明顯的點腐蝕坑，并且觀察到腐蝕產(chǎn)物的附著，對腐蝕產(chǎn)物進行能譜分析，結果顯示除基體元素外，還存在著較多的N、O元素。

3.4 金相分析

將開裂換熱器U型管取樣進行金相分析，裂紋區(qū)域金相組織為α+少量顆粒狀β，遠離裂紋區(qū)域的金相組織為α+少量顆粒狀β，對裂口附近鼓包區(qū)域進行金相分析，金相組織仍為α+少量顆粒狀β，無明顯區(qū)別。

4 討論與結論

4.1 討論

根據(jù)GB150.1～4-2011及HG/T20582-2011中相關條款，對裂管段進行強度計算，得出結論為合格，并不是因為厚度不足而導致破裂。據(jù)彎管受力情況分析，環(huán)向應力最大處位于彎管內拱側，這恰與開裂位置吻合，且電鏡分析斷口出現(xiàn)少量韌窩形貌，這也是典型的韌性斷裂特征。裂口附近顏色呈紫藍色，說明該部位可能長期在高溫的環(huán)境下運行，這種現(xiàn)象一般是管內局部熱負荷過高造成，管內汽水循環(huán)不良或管內結渣，對傳熱不利，均會使得壁溫升高而造成超溫運行。能譜分析除基體元素外，還有較多的N、O元素，說明在工作過程中接觸到NO3-離子，介質中存在的NO3-離子，對鈦材產(chǎn)生過快的腐蝕而致壁厚減薄，導致局部應力增大而破裂。彎管制造過程中，管子壁厚可能不均勻，彎制過程中內拱處產(chǎn)生過大的殘余應力，導致局部應力過高，或是彎管制造過程中，內壁處存有劃痕、凹痕、細微裂紋或者尖銳棱角等，都會增加開裂的危險因素。

4.2 結論

①斷口附近局部為藍紫色，為高溫造成的氧化，使用過程中存在超溫運行。

②介質廢水中雜質和腐蝕源過多。

③彎管自身存在缺陷或彎制過程中產(chǎn)生缺陷。

5 預防措施

通過上述分析可以得出，換熱器在使用過程中由于超溫，使得局部熱應力過高，材料許用應力降低，加上NO3-離子腐蝕、制造缺陷、內拱處存在的殘余應力共同作用，導致裂紋。為避免相同事故的發(fā)生，建議在日后的使用過程中，工作人員應注意對管程工作溫度的控制，并定期清理U型彎管內的污垢及結渣；對管程介質廢水進行定期化驗，嚴格控制廢水中NO3-離子的含量；將來如需更新設備再次制造時，應嚴格控制制造質量，降低制造缺陷，并消除U型管在彎制過程中產(chǎn)生的殘余應力，從而在設計、制造、安裝及操作等各方面都達到安全要求，避免事故的發(fā)生。

參考文獻

[1]GB150.1～4-2011，壓力容器[S].北京：中國標準出版社，2012.

[2]秦叔經(jīng).化工設備設計全書[M].北京：化學工業(yè)出版社，2003.

（作者單位：大連大化工程設計有限公司）