液化氣換熱器內漏原因分析及建議

(中化泉州石化有限公司,福建 泉州 362103)

1 內漏情況

某公司20 kt/a正丁烷裝置(1080單元，該裝置屬間歇性生產裝置)脫異丁烷塔頂冷凝器1080-E101(固定管板式，換熱管總計856根)于2012年9月生產過程中發生管束內漏后停用。2012年10月底檢修，拆開該換熱器兩端管箱,發現換熱管角焊縫與管板處發生嚴重剝離開裂，殼程在上水試漏時(未試壓，也無法加壓)發現管頭出現大面積泄漏。該換熱器型號為BJM1100-0.88/1.18-403-6/25-4Ⅱ,主要技術參數見表1,發生泄漏的管板外觀見圖1。

表1 1080-E101主要技術參數

圖1 發生泄漏的管板外觀

2 內漏原因分析

2.1 宏觀檢查

1080-E101脫異丁烷塔頂為固定管板式換熱器，管程介質為循環水，殼程介質為脫硫、脫硫醇后液化氣。拆檢時發現其兩端管板和管頭間的角焊縫部分完好，但角焊縫融合線和管板之間均存在較明顯的裂隙，見圖2。

圖2 管板管子連接處局部放大

將試塊沿兩根換熱管軸線方向剖開，換熱管與管板的軸向剖面見圖3。從圖3可以看出，換熱管與管板之間的角焊縫和管板已經剝離開裂，而在整個管板厚度方向，管子與管板之間存在著縫隙，這說明換熱管和管板并未脹接或者脹接程度不足。

2.2 金相分析

管板的金相照片見圖4，金相組織為鐵素體和珠光體帶狀組織。16MnR 鋼是國內壓力容器專用鋼板中使用量最大的鋼種，屈服強度為350 MPa，具有良好的綜合力學性能、焊接性能和工藝性能。由于16MnR鋼在冷卻過程中結晶會形成枝晶偏析，枝間部分和枝干部分各元素含量不同，兩者之間的Ar3點(凝固點)的溫度不同，在Ar3點較高的偏析帶內優先形成先共析鐵素體，而在Ar3點較低的偏析帶內后轉變，由于富碳而形成珠光體，這樣就形成了鐵素體和珠光體帶狀組織。換熱管金相組織見圖5。從圖5可以看出，換熱管金相組織與奧氏體不銹鋼相吻合。

圖3 換熱管與管板的軸向剖面

圖4 管板的金相組織

圖5 換熱管的金相組織

在管板與角焊縫連接處(靠近換熱管的一側)，通過金相觀察，發現有30～50 μm 的微裂紋，見圖6。

圖6 角焊縫的微裂紋

2.3 掃描電鏡觀察

為進一步了解管束內漏失效原因，對幾處角焊縫的斷口(與管板剝離處的角焊縫斷口)進行掃描電鏡觀察，見圖7至圖9。

圖7 與管板剝離的一處角焊縫斷口

圖8 角焊縫斷口局部放大 180×

圖9 角焊縫韌窩狀斷口

從圖7可以看出，焊縫斷口比較平整，帶有金屬光澤，有些波浪狀條紋。進一步對該圖進行放大觀察，可以看出,在波紋之間分布著更細密的波紋，見圖8。圖9所示的斷口除了有波紋狀條紋外，還有些韌窩狀斷口。

從斷口形貌來看，具備典型的疲勞斷口特征。從條紋的間隔來看，條紋間隔較小，可以判定屬于低應力高周疲勞導致的這些小輝紋。而在疲勞擴展的后期，由于剩余韌帶將承受更多載荷，會出現強度不足造成的韌窩狀斷口。

2.4 換熱管與管板之間力學分析

失效換熱器為典型的固定管板式換熱器。一般來講，對于典型的固定管板式換熱器，換熱管與管板之間通常采用3種連接方式：(1)焊接；(2)脹接；(3)脹焊并用。按照施工順序又可分為先焊后脹或先脹后焊。

典型的換熱器結構見圖10。由于管程和殼程壓力、溫度均不同，則會導致換熱器換熱管在軸向上存在載荷，此載荷由壓力引起的軸向載荷及溫差引起的軸向載荷兩部分疊加而成。

圖10 典型的換熱器結構圖

換熱器換熱管(全部)軸向載荷為：

式中：F1為溫差引起的軸向載荷,kN；F3為管程及殼程壓力引起的軸向載荷,kN；As為殼程的截面積,cm2;At為全部管程的截面積,cm2;Es為殼程材料的彈性模量,Pa;Et為管程材料的彈性模量,Pa;L為換熱器殼體的軸向長度,cm;Q為壓力引起的由管程和殼程共同承擔的軸向載荷,kN;δe為溫差引起的管程和殼程的長度差,cm。

該軸向載荷應由管子與管板連接處承擔，由于換熱器并未進行管子脹接，應由焊接的角焊縫來承擔此全部軸向載荷。另外，對于管殼式換熱器，由于殼程流體橫向穿過管束，橫向流誘發振動,振動原因包括以下幾方面[1]：

(1)卡曼漩渦

當流體橫向流過換熱管時，換熱管背后會產生卡曼漩渦，當卡曼漩渦脫落的頻率等于換熱管自振頻率時，換熱管便發生劇烈的振動。

(2)紊流抖振

在節徑比小于1.5的密排管束中，由于沒有足夠的空間，難以發生卡曼漩渦脫落，但殼程流體的極度紊流也會誘發換熱管的振動，當紊流抖振的頻率與換熱管任一振型的自振頻率接近或相等時，便會導致大幅度的換熱管振動。

(3)流體彈性激振

當管束中換熱管偏離原平衡位置，便會改變流場并破壞換熱管上力的平衡，從而引起自激振動，該頻率不僅與流速有關，還與周圍的換熱管共振頻率有關。

(4)射流轉換

當流體流過節徑比小于1.5的單排管時，在尾流中可觀察到射流對的出現，如果射流對的方向變化與換熱管運動的方向同步，在這種情況下，換熱管從流體吸收的能量比換熱管因阻尼而消耗的能量大得多時，換熱管的振動便會加劇。

總的來說，流速較低時，容易產生周期性的卡曼漩渦或紊流漩渦，這時換熱器中可能產生換熱管的振動。當橫向流速較高時，管子的振動一般是由于流體彈性激振。當橫流速度很高且滿足一定速度時，會出現射流轉換引起的換熱管振動。

改變流速,增加換熱管自振頻率，抑制周期性的漩渦等措施，雖然能有效減少振動，但不能完全消除管子的振動。

由于換熱器換熱管并未和管板脹接，管子的軸向力全部由管板連接的角焊縫承擔，又由于振動存在，導致在焊縫中產生反復的交變載荷，這也是導致角焊縫疲勞破壞的原因。

3 失效原因分析

(1)發生泄漏的換熱器，其管板與換熱管的金相組織正常，與正常的16MnR鋼及304不銹鋼基本一致。

(2)從失效管板及換熱管的宏觀觀察及解剖觀察來看，換熱管未進行脹接，換熱管主要依靠角焊縫與管板連接。但是從檢查的情況來看，焊接質量并不高，有些角焊縫存在假焊，并未真正與管板焊接起來。

(3)從斷口分析來看，斷口呈現典型的疲勞特征，這是由于換熱器橫向流引發換熱管的振動，振動引起角焊縫處存在疲勞載荷，一些應力集中區域對于疲勞載荷非常敏感;角焊縫根部未焊透，存在幾何不連續，容易引起應力集中。

(4)對于管殼式換熱器，橫向流誘發的振動是角焊縫處疲勞載荷的來源,導致了角焊縫處疲勞裂紋的萌生、擴展，當發展到一定程度時，由于承載能力不足,導致焊縫處韌性破壞。

綜上所述，換熱器的質量問題是產生失效的本質原因，而換熱器內橫向流導致的換熱管振動是誘因。

4 結論與建議

根據上述失效原因分析，提出如下幾點建議措施：

(1) 由于換熱器內換熱管的振動是不可避免的，故建議改進管子與管板的連接方式。采用脹焊并用的方式進行管子與管板的連接，即可避免軸向力全部由角焊縫承擔，并且避免疲勞載荷直接作用于角焊縫。

(2) 建議提高管子與管板角焊縫的焊接質量，避免出現假焊。可通過調整焊材、焊接工藝參數和無損檢測方法來實現。

(3)通過改變流速、減小換熱管跨距、抑制周期性的漩渦等措施，有效減少換熱管的振動，避免角焊縫的疲勞破壞。

[1] 張穎，王茂廷，李大廣，等.流體誘發換熱器管束振動機理與防振[J].化工裝備技術，2008， 2(2)：44-46.

(編輯 馬曉華 王維宗)