管殼式換熱器管束振動(dòng)失效研究

周浩楠, 潘建華

（合肥工業(yè)大學(xué)a.機(jī)械工程學(xué)院；b.工業(yè)與裝備技術(shù)研究院，合肥230009）

0 引 言

管殼式換熱器因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、傳熱面積大、能承受高壓和高溫、操作管理方便，又具有較高的可靠性與廣泛的適應(yīng)性，在石油化工、核能等工業(yè)中得到普遍的應(yīng)用。但是隨著流速的提高和換熱器尺寸大型化的發(fā)展，使得換熱器振動(dòng)與破壞的事故越來(lái)越多[1-3]。流體誘發(fā)振動(dòng)機(jī)理主要有渦旋脫落、紊流抖振、流體彈性不穩(wěn)定性和聲共振。因此人們這方面做了很多工作，取得了一些成果[4]。

換熱管是換熱器中最容易發(fā)生失效的部位。跨距大的換熱管或殼程流速高的區(qū)域的換熱管在長(zhǎng)時(shí)間的連續(xù)振動(dòng)下會(huì)造成破壞[5]。另外在腐蝕和振動(dòng)的聯(lián)合作用下,致使在管板孔處、折流板管孔處和U形彎管部位的換熱管不斷反復(fù)振動(dòng)摩擦因疲勞而斷裂[6], 造成換熱器內(nèi)漏而局部失效，甚至整體報(bào)廢。因此，探究流體誘導(dǎo)管束振動(dòng)具有重大意義。

實(shí)驗(yàn)及相關(guān)案例表明，流體引起的換熱管振動(dòng)也是造成換熱器疲勞失效的重要原因。為此國(guó)內(nèi)外出臺(tái)了很多標(biāo)準(zhǔn)，TEMA標(biāo)準(zhǔn)[7]、ASME鍋爐壓力容器規(guī)范[8]及GB/T 151-2014標(biāo)準(zhǔn)[9]是最常見(jiàn)的3種標(biāo)準(zhǔn)。

某石油化工廠(chǎng)在試車(chē)時(shí)發(fā)生了嚴(yán)重的換熱管泄漏。具體情況如下：該大型換熱器在循環(huán)水沖洗過(guò)程中發(fā)現(xiàn)比較嚴(yán)重的故障缺陷，在循環(huán)水入口側(cè)第一排北起第19根、南起第19和第20根換熱管斷裂，折流板上表面處整排換熱管均有損傷，且有損傷的換熱管附近的拉桿松動(dòng)，斷管處管板孔沒(méi)有倒角，邊緣比較鋒利。循環(huán)水出口側(cè)換熱管與折流板之間有明顯的摩擦痕跡。

圖1 換熱器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

1 實(shí)驗(yàn)和結(jié)果

1.1 化學(xué)分析

對(duì)換熱管管材進(jìn)行取樣4件。采用火花式直讀光譜儀對(duì)樣本進(jìn)行化學(xué)成分分析。分析結(jié)果見(jiàn)表2。管材中C、Si、Mn、P、S、Cr和Ni等成分都滿(mǎn)足GB13296-2007《鍋爐、熱交換器用不銹鋼無(wú)縫鋼管》[10]標(biāo)準(zhǔn)對(duì)00Cr19Ni10奧氏體不銹鋼管材的要求。這說(shuō)明換熱管的管材都是合格的。

表1 換熱器設(shè)計(jì)參數(shù)

1.2 金相檢驗(yàn)

對(duì)管材取樣，然后進(jìn)行粗磨、細(xì)磨、拋光，經(jīng)硫酸銅鹽酸水溶液刻蝕后在金相顯微鏡下觀(guān)察其金相組織，分析縱截面顯微組織。圖2給出了換熱管橫截面顯微組織照片。由圖2可見(jiàn)，換熱管縱向顯微組織為形變奧氏體和長(zhǎng)條狀分布的α鐵素體。

表2 換熱管化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù) %

圖2 換熱管縱截面顯微組織（400倍）

1.3 室溫拉伸試驗(yàn)

從換熱管截取全管段試樣2件，利用萬(wàn)能拉伸試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn)，其結(jié)果見(jiàn)表3。由表3可見(jiàn)，所取樣換熱管材質(zhì)的屈服強(qiáng)度為270 MPa、抗拉強(qiáng)度為620 MPa、斷后伸長(zhǎng)率為64.0%，室溫拉伸性能滿(mǎn)足GB 13296-2007《鍋爐、熱交換器用不銹鋼無(wú)縫鋼管》中對(duì)00Cr19Ni10材質(zhì)無(wú)縫鋼管的室溫拉伸性能要求。

表3 換熱管室溫拉伸試驗(yàn)結(jié)果

1.4 形貌觀(guān)察

對(duì)樣本換熱管斷口進(jìn)行拍照取樣，圖3給出了換熱管斷口宏觀(guān)照片。由圖3可見(jiàn)，換熱管斷口平齊，大約1/2周長(zhǎng)有摩擦擠壓的痕跡，并且在外壁靠近斷口的部位色澤白亮。與其周?chē)鼙诘念伾黠@不同。

圖3 換熱管斷口宏觀(guān)照片

對(duì)樣本換熱管斷口進(jìn)行取樣并用電子顯微鏡進(jìn)行觀(guān)察。圖4給出了換熱管斷口微觀(guān)形貌照片。由圖4可見(jiàn)，換熱管斷口處具有典型疲勞貝紋線(xiàn)征，大都呈平行分布，沿著換熱管周向擴(kuò)展，根據(jù)圖4中微觀(guān)觀(guān)察可見(jiàn)，疲勞輝紋間距約0.1～1.0 μm，該疲勞輝紋擴(kuò)展較快。

圖4 換熱管斷口疲勞輝紋形貌（3000倍）

2 振動(dòng)機(jī)理研究

2.1 漩渦激振

漩渦脫落頻率按照國(guó)標(biāo)GB/T151-2014中的公式進(jìn)行計(jì)算：

式中：fs為卡門(mén)旋渦頻率；St為斯特羅哈數(shù)；d為換熱管外徑；V為殼程液體橫流速度。

2.2 湍流激振

湍流激振主頻率多采用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算。

式中：ft為湍流激振主頻率；L為換熱管長(zhǎng)度；T為管間距。

2.3 流體彈性不穩(wěn)定性

流體彈性不穩(wěn)定性會(huì)造成換熱管振幅劇烈增大，使得管子在很短的時(shí)間內(nèi)發(fā)生疲勞破壞。流體彈性不穩(wěn)定性主要取決于臨界橫流速度。管束發(fā)生流體彈性不穩(wěn)定時(shí)的臨界橫流速度Vc按下式計(jì)算：

式中：Kc為比例系數(shù)；fn為換熱管固有頻率；δs為質(zhì)量阻尼參數(shù)；b為指數(shù)。

3 討 論

本文通過(guò)對(duì)失效樣品進(jìn)行化學(xué)分析發(fā)現(xiàn)：樣本中各種元素含量符合標(biāo)準(zhǔn)。室溫拉伸實(shí)驗(yàn)表明失效樣本能滿(mǎn)足00Cr19Ni10材質(zhì)無(wú)縫鋼管的室溫拉伸性能要求。根據(jù)金相檢驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，失效樣本的微觀(guān)組織是形變奧氏體和長(zhǎng)條狀分布的α鐵素體，這是正常奧氏體不銹鋼的金相組織。這說(shuō)明材料的微觀(guān)結(jié)構(gòu)是正常的。通過(guò)以上測(cè)試結(jié)果證明換熱管管材質(zhì)量是合格的。因此，排除了因換熱管管材質(zhì)量問(wèn)題導(dǎo)致?lián)Q熱管斷裂的因素。

換熱管斷口宏觀(guān)照片顯示斷口平齊，約1/2周長(zhǎng)有摩擦擠壓的痕跡，且在外壁靠近斷口的部位色澤白亮。說(shuō)明換熱管與折流板發(fā)生了剪切和擠壓作用。換熱管斷口微觀(guān)形貌照片顯示斷口具有典型疲勞貝紋線(xiàn)征，大都呈平行分布，沿著換熱管周向擴(kuò)展，并且疲勞輝紋擴(kuò)展速率較快。這是疲勞失效的典型證據(jù)。所以判定換熱器在流體力的作用下發(fā)生了振動(dòng)破壞。但是對(duì)于振動(dòng)的機(jī)理并不明確。為了明確換熱管失效的具體原因，采用現(xiàn)行的換熱器設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 151-2014)對(duì)換熱管進(jìn)行校核。校核結(jié)果如表4所示。

表4 換熱管振動(dòng)計(jì)算結(jié)果

從表4中可以看出，換熱器進(jìn)口處的橫流速度明顯超過(guò)了換熱管的臨界流速。因此，換熱器管束有可能是因?yàn)榱黧w彈性不穩(wěn)定性的存在導(dǎo)致?lián)Q熱管發(fā)生振動(dòng)。振動(dòng)致使換熱管與管板和折流板之間產(chǎn)生剪切和擠壓。最終導(dǎo)致?lián)Q熱管失效泄漏。因此，導(dǎo)致該換熱器管束失效的振動(dòng)機(jī)理是流體彈性不穩(wěn)定性。

4 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)換熱器管束的檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，管材的化學(xué)成分和力學(xué)性能符合相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)；樣品斷口處出現(xiàn)大量的疲勞貝紋線(xiàn)呈平行分布，沿著換熱管周向擴(kuò)展。這說(shuō)明管束周期性振動(dòng)導(dǎo)致疲勞破壞的發(fā)生，經(jīng)理論計(jì)算發(fā)現(xiàn)，該換熱器的工況處在流體彈性不穩(wěn)定區(qū)域，所以流體彈性不穩(wěn)定性是導(dǎo)致管束振動(dòng)的重要原因。因此得出結(jié)論：在當(dāng)前工況下，換熱器管束在流體周期力的作用下使得換熱器管束發(fā)生疲勞破壞。這項(xiàng)研究為換熱器設(shè)計(jì)制造提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)，以防止再次發(fā)生類(lèi)似的工業(yè)事故。