高壓蒸汽過熱器的失效分析及設計改進

袁敏玥

（上海華誼集團裝備工程有限公司）

高壓蒸汽過熱器的失效分析及設計改進

袁敏玥*

（上海華誼集團裝備工程有限公司）

對一臺高壓蒸汽過熱器的管子管板連接處焊縫頻繁發生滲漏的問題進行了全面分析，并對設備的結構、材料、焊接、檢驗、試驗等方面進行了優化和改進。在高壓固定管板式換熱器設計過程中，壁溫是一個很重要的技術參數，應予以足夠的重視。

高壓換熱器 壁溫 膨脹節 結構設計 應力 腐蝕

0 前言

換熱器是化工、石油、制藥、食品、航天等行業中熱量傳遞、節能減排工藝中的重要工藝設備。隨著科學技術的飛速發展，近年來，高壓換熱器在合成氨、甲醇合成、乙烯裂解等化工生產中得到廣泛的應用。在這些化工生產中設備運行的工藝條件相當惡劣，壓力高達35 MPa，溫度高達700℃。在高溫高壓的嚴酷條件下，高壓換熱器設計時在選材、結構、焊接、檢測、試驗等方面有許多需要注意的地方，既要確保設備的安全性，同時也要力求保證設備的合理性和有效性。

某化工廠內一臺高壓換熱器（過熱器），在使用中其管子管板連接處的焊縫頻繁發生滲漏，多次造成被動停車，雖經過了現場補焊、返修，但沒有從根本上解決問題，導致設備無法正常穩定運行。現對設備的泄漏原因進行綜合分析，并在設計工藝參數、主要材質、主體結構和尺寸不變的情況下重新設計、制造，以替換原設備。

該設備的主要工藝流程為：利用氨合成塔出口的高溫工藝氣加熱副產飽和蒸汽為過熱蒸汽，提高副產蒸汽品質，回收合成氣熱量，達到節能降耗的目的。具體操作工況為：氨合成塔出口高溫工藝氣走設備管程，廢熱鍋爐副產的飽和蒸汽走殼程，管殼程介質換熱后，降低了溫度的工藝氣進入廢鍋加熱鍋爐水，使之成副產飽和蒸汽，殼程的過熱蒸汽并入蒸汽管網向外輸送。

1 滲漏原因分析

通過對高壓換熱器的工藝參數、使用過程中曾出現的問題等進行全面系統的分析，查找可能導致泄漏的原因。針對該設備管子與管板焊縫處多次滲漏且多次補焊無果的情況，對管子與管板的連接焊縫進行了取樣和檢測，發現焊縫處存在裂紋。再對設備的整個管面進行滲透檢測，發現在管板的邊緣部位有多處管子管板連接焊縫存在裂紋，而且原來返修補焊的焊縫也大多處在這個區域。根據檢測情況以及多次返修無果的情況初步判斷，可能是由于管殼程介質的溫差較大，而換熱管材料和殼體材料的熱膨脹系數差異也很大，導致換熱管和殼體的熱膨脹量差較大，從而使換熱管產生的軸向溫差應力也相應增大[1]。溫差應力與工作壓力所產生的軸向應力疊加后，可能使換熱管的軸向力過大，甚至超過管子與管板連接焊縫的許用應力，長期運行后引起焊縫開裂，產生滲漏現象。

該設備是一臺固定管板式高壓換熱器，表1是該設備的設計工藝參數，表2是該設備的結構參數。

為了評估壁溫差異對溫差應力計算結果的影響，采用了兩種方法來確定筒體和換熱管的壁溫，然后采用過程設備強度計算軟件SW6進行計算和對比。方法一是一種粗略的估算法，即取殼程進出口溫度的平均值（276.5℃）作為筒體的壁溫，取管、殼程進出口四個溫度的平均值（315.5℃）作為換熱管的壁溫。方法二是采用換熱器工藝計算軟件Aspen對筒體和換熱管的壁溫進行精確計算的方法，通過計算得出筒體的壁溫為285℃，換熱管的壁溫為352℃。兩種方法計算結果詳見表3。

由表3可見，采用方法一計算的殼程與管程的平均溫差較小，在第2工況下，管板腐蝕前后換熱管的軸向應力比其許用軸向應力（76.11 MPa）要大許多，而在第4、6工況下，管板腐蝕前后換熱管的軸向應力比其許用軸向應力稍大。

表1 蒸汽過熱器設計工藝參數

表2 蒸汽過熱器結構參數

采用方法二計算的殼程與管程的平均溫差較大，在第2、4、6工況下，管板腐蝕后換熱管的軸向應力分別為140 MPa、113.3 MPa、116.2 MPa，都遠大于其許用軸向應力76.11 MPa；在第2、4、6工況下，管板腐蝕前換熱管的軸向應力分別為148.6 MPa、122.9 MPa、125.8 MPa，也都遠大于其許用軸向應力。

采用方法一得出的壁溫與設備的實際情況偏差較大，采用方法二得出的壁溫比較精準，采用方法一計算得到的應力要比采用方法二計算得到的應力低得多。這就表示，正確的殼程和管程的壁溫，對于固定管板式換熱器的計算結果是非常重要的。只有確保殼程和管程的壁溫正確，才能計算出換熱器準確的應力情況，才能據此設計出安全可靠的換熱器。殼程和管程的壁溫不能采用方法一（粗略的估算）來計算，而必須采用方法二（用專業的換熱器工藝計算軟件）進行計算。

表3 蒸汽過熱器不同壁溫下的換熱管軸向應力

從表3的計算結果可以得出，該換熱器多次滲漏、返修無果的真正原因是其溫差應力較大?；蛘哒f，是因為其殼體為碳鋼，換熱管為不銹鋼，不同材質的線膨脹量差異大，導致了裂紋產生和泄漏。由于殼體和換熱管的壁溫溫差過大，管子與殼體間的熱膨脹量也相差很大，從而導致很大的溫差應力。溫差應力與工作壓力引起的應力疊加，使得換熱管的軸向應力過大，遠遠大于其許用軸向應力，從而使管子與管板之間的連接焊縫在該工況下產生裂紋，導致泄漏。

2 解決方案

由于本設計的目的是在設備設計工藝參數、主要材料、主體結構和尺寸不變的情況下進行改進，所以要解決軸向應力超過許用應力的問題。解決這一問題，只有提高軸向許用應力或降低軸向實際應力兩種方法。

軸向許用應力是由換熱管材料的許用應力和換熱管的穩定許用應力決定的，而換熱管的失穩許用應力與折流板的間距有關聯。折流板間距的減小能使換熱管受壓失穩長度減小，在一定的范圍內可以使換熱管在設計溫度下的穩定許用應力有所增加。對該設備調整折流板的間距，選取300 mm、250 mm、200 mm三種情況分別進行計算。從計算結果看，此方法對降低換熱管的軸向應力基本沒有效果。經分析該方法無效的主要原因是：雖然折流板間距的減小能使換熱管的失穩長度減小，但當折流板間距減小到一定距離時，換熱管的穩定許用應力基本不會再增加。此外，折流板間距不斷減小，會使設備內介質的壓降不斷增加。壓力降的增加使得換熱器的磨蝕和振動破壞加劇，導致換熱器在運行過程中的動力消耗增大[2]，且過大的壓力降對換熱器的運行也是一個不利因素。因此在該換熱器設計中，略微減小折流板間距對穩定許用應力的增加基本沒有作用。

由此可見，對于該設備要降低換熱管的軸向應力，最有效的方法就是在殼體上增加膨脹節，以補償管束和殼體因管程和殼程溫差而引起的線膨脹量之差，從而解決換熱管軸向應力過大的問題。

由于殼程設計溫度為390℃，設計壓力為4.3 MPa，壓力較高，超過了GB 16749—1997《壓力容器波形膨脹節》[3]標準上的公稱壓力，沒有標準型的膨脹節可以直接選用，因此需要為該換熱器專門設計一個非標膨脹節。

首先，確定非標膨脹節的各個參數。膨脹節波高的選取是按成形比（Dw/Do）確定的，成形比的大小是控制成形減薄量的重要參數，當成形比Dw/Do=1.55~1.10時，膨脹節的實際減薄量比較接近成形減薄量。一般波高h=（Dw-Do）/2，波距W=（0.8~1.2）h[4]。根據膨脹節加工工藝要求（圓弧半徑R要大于3倍膨脹節厚度等），通過SW6軟件的計算，反復調整膨脹節的各個參數，經過多種方案的比較和優化，設計出一個既能滿足膨脹節本身強度要求，又能滿足設備整體要求，且便于生產制造的非標膨脹節（見圖1）。

增加膨脹節之后，經過計算，在第2、4、6工況下，管板腐蝕后換熱管的軸向應力分別降至3.726 MPa、9.462 MPa、26.87 MPa，均小于其許用軸向應力；在第2、4、6工況下，換熱管的軸向應力分別為3.623 MPa、8.743 MPa、26.3 MPa，也都小于其許用軸向應力?？傊?，增加膨脹節之后，換熱管的軸向應力、殼體的軸向應力、管子與管板之間的拉脫力都在許用值范圍內。從表2中可以得出，在設備工藝流程、參數等都不改變的情況下，膨脹節的選用對換熱管軸向應力的下降起到了顯著的作用，可有效防止設備失效，保證設備設計的合理性、安全性。

3 其他改進措施

除了根據計算在該設備上設置膨脹節，以減小換熱管的軸向應力外，還在設備的原材料、加工制造和檢測等方面提出了相應的措施，使設備在高溫、高壓的工況下能更可靠地運行。

3.1 原材料質量的保證

（1）換熱管應符合NB/T 47019.1~8—2011《鍋爐、熱交換器用管訂貨技術條件》中的規定，其中管子外徑允許偏差和壁厚允許偏差均按高級精度的規定，管子的壁厚按最小壁厚進行交貨。

圖1 增加膨脹節后的換熱器

（2）換熱管應經過100%渦流檢測，檢測標準按照NB/T 47013—2015《承壓設備無損檢測》的規定。

（3）換熱管還應逐根進行水壓試驗，試驗壓力根據NB/T 47019.1~8—2011的要求進行選擇。

（4）換熱管在制造加工時，兩端應切除一定的長度，以去除管子制造拉拔時兩端的缺陷和渦流檢測的盲區。

3.2 提高設備的檢驗要求

（1）換熱管與管板的焊接選用手工氬弧焊或自動氬弧焊進行焊接，并至少焊接2道。第1道焊接完畢后進行泄漏檢測（檢測壓力取0.05~0.1 MPaG和設計壓力兩者中較小值），泄漏處必須徹底打磨修補后方可進行第2道焊接。第2道焊縫的起弧位置與第1道焊縫的起弧位置錯開180°。最后一道焊完后，管板與換熱管之間的焊接接頭進行100%滲透檢測，符合NB/T 47013—2015標準規定中Ⅰ級合格。

（2）水壓試壓后，對殼程進行氦泄漏試驗。根據HG/T 20584—2011《鋼制化工容器制造技術要求》的附錄B中的吸槍檢測模式，試驗壓力為0.4 MPa或設計壓力（取小值），氦氣分壓不小于0.1 MPa，保壓時間不低于2 h，檢測的泄漏率不超過1×10-5Pa·m3/s[5]。

4 結論

通過對蒸汽過熱器的工藝過程模擬和相關的設計計算可知，該設備出現問題的主要原因是管程與殼程的溫差過大而導致的應力過大。為此，通過在殼程增加不銹鋼波形膨脹節、提高原材料的質量要求和提高對設備的檢測要求等一系列的優化措施，使設備性能更穩定，設備運行更高效。經實際使用，該設備運行穩定可靠，再未出現管子管板發生泄漏和其他異常情況。

從該案例可知，在高壓換熱器的設計制造時以下幾個問題需予以關注：

（1）對于固定管板式結構的高壓換熱器，精確的殼體與換熱管的壁溫對整個設備的設計是很重要的。高壓換熱器的設計安全余量相對于低壓、中壓級的換熱器要小，壁溫的不精確會導致整個設備的設計產生較大的偏差，給設備的正常使用帶來安全隱患。因此，在設備設計時要根據精確的壁溫進行設計計算，這樣才能夠充分判斷設計是否安全、合理，才能保證設備可靠運行。

（2）在工藝流程條件滿足的情況下，可將高壓換熱器設計成U形管式、浮頭式等結構形式，以減少管程與殼程的膨脹量差過大而引起的軸向應力。

（3）在高壓換熱器中使用膨脹節要綜合考慮膨脹節的強度和剛度。膨脹節能有效地補償管程與殼程的膨脹量差異，減小換熱管的軸向應力；但是在高壓高溫的工況下，膨脹節需要滿足自身一定的強度，因此其厚度會較大，而此時膨脹節的剛度也會變得很大。膨脹節作為一種能自由伸縮的彈性補償元件，其結構特點是需要具有足夠的柔性，剛度太大會使膨脹節的補償作用受到很大的限制。另外，膨脹節是固定管板式換熱器中相對比較薄弱的環節，應盡量避免在惡劣工況下使用。

（4）高壓換熱器對原材料的質量要求比較高，通常需要選用高精度的換熱管，需要對換熱管進行100%的渦流檢測以及逐根進行水壓試驗，還要注意在換熱管兩端去除軋制缺陷和探傷盲區等。

（5）高壓換熱器制造過程中，為保證換熱管與管板的焊接質量，通常采用2道焊接和檢測的工藝，即管子管板在進行第1道焊接后，需對焊接接頭進行泄漏檢測，檢測合格后，再進行第2道焊接和檢測，并注意兩道焊縫的起弧位置要錯開180°。

（6）必要時，在設備整體水壓試驗后還可對殼程進行氦檢漏試驗檢測，以確保每個管子管板的連接焊縫以及設備本體的焊縫都完好不泄漏。

[1]董其伍，張垚.換熱器 [M].北京：化學工業出版社，2009.

[2]錢頌文.換熱器設計手冊 [M].北京：化學工業出版社，2002.

[3]全國壓力容器標準化技術委員會制造分委會.壓力容器波形膨脹節：GB 16749—1997[S].北京：中國標準出版社，1998.

[4]李世玉.壓力容器設計工程師培訓教程[M].北京：新華出版社，2005.

[5]中國石油和化學工業協會.鋼制化工容器制造技術要求：HG/T 20584—2011[S].北京：中國標準出版社，2011.

Failure Analysis and Design Improvement of High Pressure Steam Superheater

Yuan Minyue

The welding seam leakage frequently occured at the joint of pipe and tube plate of a high pressure steam superheater,and the problem was analyzed comprehensively.The structure,material,welding,inspection,test and other aspects of equipment were optimized and improved.In the design process of high pressure fixed tubesheet heat exchanger,the wall temperature was an important technical parameter,and should be paid enough attention to.

High pressure heat exchanger;Wall temperature;Expansion joint;Structural design;Stress;Corrosion

TQ 051.5

10.16759/j.cnki.issn.1007-7251.2017.10.010

*袁敏玥，女，1985年生，工程師。上海市，200030。

2017-09-07）