熱網加熱器管裂紋產生原因分析

房強

摘要：由于管樣出現硬度不均勻問題，容易導致熱網加熱器管出現裂紋問題，在變徑過渡位置會因為應力過度集中導致加熱器管出現振動疲勞問題，甚至會造成熱網加熱器管出現連續性泄露的問題，將會造成嚴重的經濟損失，因此相關工作人員需要全面分析造成熱網加熱器管出現裂紋的主要原因。本文首先分析裂紋位置和實驗方法，其次探討實驗結果，最后研究出現裂紋的原因，以期對相關研究具有一定的參考價值。

關鍵詞：熱網加熱器管;裂紋;原因分析

引言

在使用熱網加熱器管的過程中，受到流動介質沖擊力的影響，容易出現振動問題，在振動中若是出現振動疲勞，極易引發疲勞裂紋的出現，因此在實際加工制作的過程中，工作人員需要結合造成疲勞裂紋的原因，制定一些預防舉措，避免加熱器管出現裂紋影響正常使用的問題。

1 裂紋位置

在對出現裂紋的熱網加熱器管進行宏觀拍攝時，可以發現裂紋通常會聚集在管樣變徑位置，管道的外壁位置具有很多碰磨印跡，管樣裂紋的中部位置具有一些圓形凹坑，管樣裂紋的斷面位置并未出現明顯氧化以及腐蝕的痕跡，且并未出現顯著的塑性變形問題。

2 實驗方法

在管樣裂紋開口的最大位置、裂紋尖端位置、裂縫側面位置上分別截取一塊作為試樣，將其依次編號為試樣1、試樣2、試樣3。首先，工作人員需要使用砂紙對試樣進行粗磨、拋光，再使用硫酸銅鹽酸進行處理，其次，運用ZEISS 顯微鏡觀察試樣情況，根據《金屬平均晶粒度測定方法》對試樣晶粒度評級，通過維氏硬度試驗檢查試樣的硬度，再次，運用EDS能譜儀分析試樣的化學成分和組織表征[1]。

3 分析實驗結果

3.1 分析顯微組織

在分析試樣顯微組織時可以發現，裂紋附近位置和遠離裂紋位置的顯微組織并不存在顯著的差異，在利用顯微鏡進行評級時，裂紋試樣的平均晶粒度處于8級-9級，裂紋端口位置比較平整、無明顯撕拉情況、并未出現變形問題。通過顯微鏡觀察可以發現，熱網加熱器管上的裂紋基本都是從外壁位置向內壁位置進行延展的，裂紋的端部位置并未出現尖銳情況，裂紋能夠直接通過晶粒，表明管樣裂紋在擴展的過程中可以做到穿晶斷裂。除此以外，并未發現比較顯著的二次裂紋問題，管樣裂紋位置并未出現交叉狀況。

3.2 分析電鏡掃描情況和能譜成分分析情況

裂紋中心位置均出現了比較明顯的碰磨現象，充分表明管樣出現的裂紋問題和管道上出現的凹坑具有緊密關聯。工作人員在對最大凹陷位置進行成分分析時可以發現，管樣裂紋的最大凹坑位置主要構成成分包括硅、鉻、錳、鐵、鎳、鉬 ，并未出現硫、氯等具有腐蝕性的化學元素，這就意味著管樣出現裂紋的原因與化學腐蝕不具有直接關聯。

通過電鏡掃描可以發現熱網加熱器管上的裂紋斷面并不存在顯著的塑性變形問題，證明管道裂紋的斷裂形式是脆性斷裂，試樣表面位置具有很多磨損印跡，經過推測發現，是管樣夾出現松動引發的隨機振動問題，相鄰管道之間的管壁出現碰撞摩擦造成的，因此管樣裂紋的斷面位置具有很多條處于平行狀態的疲勞型裂紋。由于熱網換熱器管在正常使用時，溫度通常會達到150攝氏度到350攝氏度，可以排除由于高溫問題造成管道出現疲勞裂紋現象。

3.3分析試樣硬度

在對試樣1、試樣2、試樣3斷口周邊位置展開硬度分析時，可以發現管樣各個位置的維氏硬度可以達到246，試樣的平均維氏硬度能夠達到176，充分表明管樣在硬度上處于分布不均勻的狀況。根據 ASME SA-213M要求可知，剛才的維氏硬度通常不會超出200，而加熱器管的試樣硬度已經超出標準硬度要求，這就意味著管樣的局部位置存在維氏硬度過高的問題，導致管樣的塑性以及韌性逐漸降低，在一定程度會提升管樣材料的脆性，容易縮減加熱器管的實際應用期限。因為換熱器管的正常運行溫度在150到350的攝氏度之間，管樣在該范圍以內的時候，管樣不會出現局部位置硬度突然上升的問題，因此造成管樣出現硬度不均勻的問題，主要集中在加工制造管樣、安裝管樣中[2]。

3.4 分析受力情況

在研究熱網加熱器管裂紋位置的應力情況時，首先需要對管樣模型實施模擬計算，應該通過管樣模型劃分網格，在實際工作情況下，由于換熱器管并不是逐節固定的管夾，因此在進行受力分析時，需要在換熱器管的一段變徑位置增加固定的約束力，在管樣外壁位置增加0.7兆帕的壓力，在內壁位置增加80卡帕的管程壓力，然后進行模擬觀察，發現管樣變徑位的內壁位置，處于應力過度集中的狀態，由此可知該位置即為管樣的危險區。

4 出現裂紋的原因

通過進行SEM分析以及金相綜合分析可知，加熱器管出現的裂紋是疲勞裂紋，管樣在硬度上處于分配不均勻的狀態，局部位置存在硬度值過高的問題，在管樣韌性降低的同時，脆性會隨之增加，使得局部位置出現應力不均勻的狀態，形成了比較薄弱的位置，此處極易出現裂紋問題。與此同時，管樣的變徑位置在截面面積出現變動的時候，容易出現應力比較集中的問題，而應力集中會直接影響管樣的疲勞強度，使得管樣在變徑位置上出現應力均勻性比較低的問題，致使管內介質出現流動速度加快的問題，從而造成加熱器管出現不正常的振動現象。

而變徑后的管樣在管壁位置使用管夾進行固定處理時，導致未固定處理的變徑位置出現的振動現象更加明顯，這是變徑前管樣出現裂紋問題的原因。如果管樣變徑位置出現管卡夾持不當的問題、松動問題，管內介質在進行傳輸的過程中將會引發振動，甚至會導致該位置出現橫向狀態的振動問題，從而產生共振現象出現振動疲勞問題，造成管樣在并未出現裂紋萌生現象的情況下出現直接裂紋擴展問題[3]。管樣在出現橫向振動狀況時，會使管內介質和內表面位置出現橫向沖擊現象。管樣的外壁位置若是存在很多碰撞印跡，也可以表明管樣在使用時出現隨機振動現象，在振幅增多的情況下，管樣之間會出現互相碰撞的問題，將會加劇磨損程度。

5 試驗結論和預防舉措

如果管樣本身出現硬度均勻性不足的問題，導致局部位置形成脆弱部分，是容易引發裂紋問題的一大原因，在綜合使用SEM分析以及金相分析管樣裂紋斷面位置，可以確定裂紋是疲勞斷裂裂紋。如果管樣變徑位置出現應力不均勻問題、局部位置出現應力過度集中的問題，在加熱器管使用時將會出現振動疲勞問題，在這些問題的共同影響下，導致管樣裂紋的進一步擴展，甚至會導致管道出現泄露問題。

因此相關工作人員需要使用一些行之有效的防控舉措，避免熱網加熱器管出現裂紋問題。首先，工作人員應該提升對加熱器管生產加工原材料的管控力度，定期監督管理管樣金相組織的變化情況和硬度變動情況，避免管樣材料出現硬化傾向[4]。其次，工作人員需要把控好管道介質的流速，能夠進一步降低管樣振動的頻率，有助于減少振幅大小。再次，工作人員需要對正處于運行狀態的管樣，開展全面的受力情況分析，有針對性的優化調整管道結構，降低加熱器管出現隨機振動問題的概率，從而防止共振問題導致的振動疲勞使加熱器管出現失效現象。

結論：綜上所述，熱網加熱器管容易出現裂紋問題，工作人員應該結合裂紋情況，全面研究造成裂紋的原因，避免換熱器管上出現裂紋問題，從而減少換熱器管出現故障的幾率。

參考文獻：

[1]朱婷，張德屯，呂一楠，高磊，張紅軍，李航宇.熱網加熱器管裂紋產生原因分析[J].電網與清潔能源，2021，37（10）：25-29+35.

[2]宣慧芬，樓良弟，盧建樹.硫酸銨循環加熱器換熱管裂紋產生原因分析[J].化工生產與技術，2013，20（01）：53-55+72.

[3]高偉，畢英杰.某電廠TP304不銹鋼換熱管裂紋分析[J].機械工程師，2012（08）：182-183.

[4]王元昌，于靜，董梁生，任永偉.不銹鋼換熱管熱網加熱器換熱管泄漏原因分析[J].中國化工裝備，2010，12（02）：32-34+37.