熱媒冷卻器失效原因大致分析

郭學(xué)雙+張文青+束慶鵬+張軍

（1. 江蘇中圣壓力容器裝備制造有限公司 211112； 2. 南京勝德金屬制品有限公司 210008）

摘 要： 對(duì)于在役的兩臺(tái)熱媒冷卻器112-E03和116-E01在使用兩年后，換熱管中部發(fā)生了泄漏事故，業(yè)主希望根據(jù)我們的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)作出初步分析方案供其有針對(duì)性地排查原因。

關(guān)鍵詞： 壓力容器 冷卻器 失效分析 排查原因

某公司在役的兩臺(tái)熱媒冷卻器112-E03和116-E01在使用兩年后，換熱管中部發(fā)生了泄漏事故，業(yè)主希望根據(jù)我們的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)提出初步分析方案供其有針對(duì)性地排查原因。同時(shí)對(duì)即將安裝的類似兩臺(tái)設(shè)備提出合理化建議。

這是一臺(tái)4管程2殼程的U型管換熱器如下圖一，操作條件如下圖二，換熱管及管板材料為S30408，其余材料為碳鋼材料。因局限于現(xiàn)場(chǎng)的操作，業(yè)主無法提供更多的信息供我司解讀，依據(jù)此信息作出如下分析：

結(jié)合這兩臺(tái)熱媒冷卻器的特點(diǎn)，發(fā)生泄漏的可能原因，大致如下：

1、熱媒冷卻器的介質(zhì)有較大的腐蝕性，選用不銹鋼S30408材料不當(dāng)；

2、熱媒冷卻器使用的不銹鋼S30408材料不符合要求，或者存在潛在質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)；

3、熱媒冷卻器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)未按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行；

4、熱媒冷卻器使用過程中出現(xiàn)劇烈振動(dòng)，容易導(dǎo)致?lián)Q熱管和折流板接觸處產(chǎn)生缺陷。但是換熱器在設(shè)計(jì)時(shí)未進(jìn)行振動(dòng)計(jì)算校核；

5、熱媒冷卻器使用過程中存在反復(fù)開停車的工況，這種交變應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致?lián)Q熱器產(chǎn)生疲勞，進(jìn)而出現(xiàn)失效；

針對(duì)以上可能原因，我們逐一排除如下：

1、這兩臺(tái)熱媒冷卻器管程的介質(zhì)是熱油，殼程是冷卻水，根據(jù)我們的經(jīng)驗(yàn)，選用不銹鋼S30408材料應(yīng)該完全能滿足要求；除非管殼程的介質(zhì)中存在大量的氯離子，產(chǎn)生了應(yīng)力腐蝕。

2、這個(gè)需要核對(duì)換熱管材料質(zhì)證書，詳細(xì)了解換熱管生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)，生產(chǎn)廠家，生產(chǎn)過程做過的檢測(cè)。如果都是按照GB13296-2013執(zhí)行的，且每一個(gè)檢測(cè)都是合格的，就基本可以判定換熱管原材料是符合要求的，且不存在質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)；

3、我們看了這兩臺(tái)熱媒冷卻器的結(jié)構(gòu)，包括布管形式，換熱管和管板的連接結(jié)構(gòu)，折流板的形式和間距，設(shè)備法蘭和管板的連接結(jié)構(gòu)等，都是符合GB/T151標(biāo)準(zhǔn)的，因此換熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不存在缺陷；

4、兩臺(tái)熱媒冷卻器的管殼程溫差變化大，存在振動(dòng)的可能性（與貴司技術(shù)人員確認(rèn)后，換熱器使用過程中確實(shí)也存在振動(dòng)現(xiàn)象）。因?yàn)樵谠O(shè)計(jì)階段做過振動(dòng)計(jì)算，說明這種結(jié)構(gòu)是能夠滿足振動(dòng)要求的。

5、JB/T 4732標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：換熱器的年開停車超過1000次，必須進(jìn)行疲勞分析。從這兩臺(tái)熱媒冷卻器的使用壽命，泄露位置等來看，與未做疲勞分析可能會(huì)造成的設(shè)備缺陷非常類似。而且這兩臺(tái)熱媒冷卻器的管殼程的溫度在指定時(shí)間段內(nèi)變化大，且兩程溫差大，且每天要經(jīng)歷四次間歇操作，導(dǎo)致該設(shè)備在使用2年左右后會(huì)出現(xiàn)失效。再進(jìn)一步分析，換熱管本身受載情況比較復(fù)雜：①有壓力；②有交變的軸向溫差，此會(huì)引起循環(huán)的徑向應(yīng)力；③有交變的徑向溫差，此會(huì)引起循環(huán)的軸向應(yīng)力；由重力引起的恒定機(jī)械載荷，此會(huì)附加域內(nèi)壓基礎(chǔ)上產(chǎn)生彎曲應(yīng)力；④包括折流板等，此會(huì)形成復(fù)雜的管束支撐條件；⑤任意兩折流板件的管束的受載情況各不相同，又相互影響，整個(gè)管束的溫度分布、熱梯度變化、熱應(yīng)力分布和變，不僅僅和空間坐標(biāo)有關(guān)，也與時(shí)間有關(guān)。綜上分析：要分析清楚這臺(tái)設(shè)備的應(yīng)力情況和疲勞與否，有如下內(nèi)容需要考慮：①.管程和殼程必須同時(shí)做瞬態(tài)分析；②必須整體建模考慮；③.必須計(jì)算出全時(shí)程內(nèi)任意時(shí)刻溫度場(chǎng)分布；④必須考察出最大應(yīng)力出現(xiàn)在什么時(shí)刻什么位置， ⑤.必須尋找出全時(shí)程內(nèi)任意時(shí)刻任一點(diǎn)的最大交變應(yīng)力范圍；⑥.疲勞評(píng)定是必須考慮機(jī)械載荷和溫度載荷耦合作用的下疲勞壽命。⑦.必須對(duì)熱應(yīng)力棘輪進(jìn)行校核，以確定是否會(huì)發(fā)生漸增性塑性垮塌。⑧.對(duì)失效部位的三向主應(yīng)力校核，檢查是否發(fā)生三向主應(yīng)力下的脆性斷裂。

結(jié)束：綜上所述，兩臺(tái)熱媒冷卻器出現(xiàn)失效的可能原因需要業(yè)主一一排查，同時(shí)建議對(duì)泄漏處的換熱管做金相顯微組織分析。我司初步認(rèn)為是設(shè)備未按照要求進(jìn)行疲勞分析是可能導(dǎo)致?lián)Q熱器失效較大的一個(gè)原因。鑒于失效的熱媒冷卻器的換熱管的管壁是1.5mm，而現(xiàn)在已經(jīng)制作完成，待安裝的熱媒冷卻器的換熱管的管壁是2.0mm，會(huì)不會(huì)出現(xiàn)同樣的問題，首先需要進(jìn)行疲勞分析來排查。如果經(jīng)過疲勞分析，熱媒冷卻器的換熱管的管壁在2.0mm以內(nèi)都是滿足使用要求的，證明這兩臺(tái)設(shè)備可以繼續(xù)使用；如不能滿足使用要求，則還需要重新設(shè)計(jì)、制作，以替換這兩臺(tái)設(shè)備。

參考文獻(xiàn)

[1]GB150-2011 壓力容器

[2]GB/T151-2014 熱交換器

[3]JB/T 4732-1995（2005）鋼制壓力容器-分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)（2005年確認(rèn)版）

[4]任凌波 任曉蕾 壓力容器腐蝕與控制 北京：化學(xué)工業(yè)出版社