浙(zhe)江至德(de)鋼業有限公司以水(shui)煤氣廢熱鍋爐在久久99國產精品久久99果凍傳媒:不銹鋼換熱管和(he)管(guan)(guan)板(ban)連接(jie)處(chu)的(de)(de)(de)失(shi)效(xiao)(xiao)分析(xi)(xi)為例，說明失(shi)效(xiao)(xiao)分析(xi)(xi)的(de)(de)(de)過程和(he)意義。管(guan)(guan)殼式換(huan)熱器(qi)廣泛應用(yong)(yong)于化工、石油、醫藥和(he)核(he)行業(ye)。管(guan)(guan)板(ban)和(he)換(huan)熱管(guan)(guan)連接(jie)處(chu)是(shi)(shi)一個關鍵部位，它們之間的(de)(de)(de)連接(jie)一般采(cai)用(yong)(yong)焊接(jie)、脹接(jie)或(huo)者兩者結(jie)合的(de)(de)(de)方法。從文獻報道和(he)實(shi)際使用(yong)(yong)情況來看，管(guan)(guan)子和(he)管(guan)(guan)板(ban)連接(jie)處(chu)的(de)(de)(de)腐蝕(shi)是(shi)(shi)引起換(huan)熱器(qi)失(shi)效(xiao)(xiao)的(de)(de)(de)主要原因。因此，常采(cai)用(yong)(yong)奧氏(shi)體久久99國產精品久久99果凍傳媒:不銹鋼管子預防腐(fu)蝕(shi)的發生。然(ran)而(er)，在特(te)定(ding)的介質和一定(ding)的拉應力下，奧氏體不銹鋼會發生久久99國產精品久久99果凍傳媒:應力腐蝕開裂。拉應(ying)(ying)(ying)力(li)來源于操作(zuo)壓力(li)、熱應(ying)(ying)(ying)力(li)或者制(zhi)造的(de)殘(can)余(yu)應(ying)(ying)(ying)力(li)。近年來，人們通(tong)過(guo)失效(xiao)案例分析(xi)，對脹接或焊接殘(can)余(yu)應(ying)(ying)(ying)力(li)情況進(jin)行了大量研究，并(bing)認為(wei)它們在(zai)(zai)應(ying)(ying)(ying)力(li)腐蝕(shi)中起到了重要(yao)作(zuo)用(yong)。一些換熱器失效(xiao)案例中，雖(sui)然介質中氯離子的(de)濃度非(fei)常小，但是奧氏體不銹鋼管(guan)應(ying)(ying)(ying)力(li)腐蝕(shi)還會發生。眾多分析(xi)認為(wei)，應(ying)(ying)(ying)力(li)腐蝕(shi)的(de)發生是由氯離子在(zai)(zai)縫隙中的(de)富(fu)集引起的(de)。
現當介質中氯離子濃(nong)度(du)僅有5.8mg/kg時，縫隙(xi)處的(de)濃(nong)度(du)值可(ke)高(gao)達2410mg/kg.但管(guan)子的(de)應力腐(fu)蝕(shi)和縫隙(xi)腐(fu)蝕(shi)仍(reng)不能避免。目前(qian)，對于脹接(jie)之后還存在(zai)縫隙(xi)的(de)原因不清楚，因此，這個問題(ti)將在(zai)本(ben)章中進行(xing)重點討論(lun)。
一、失(shi)效案例(li)介紹(shao)
某甲醇廠一臺水煤氣廢熱鍋爐（以下簡稱“廢鍋”）管程的介質是由H2、CO、CO2、H2S、NH3、H2O等組成的水煤氣，水從鍋爐補水口進人廢鍋殼程，并在其內變成蒸汽后，再由蒸汽出口排出，廢熱鍋爐技術特性見表7-1。殼程的最高工作壓力和溫度分別為3.4MPa、242℃,管程的最高工作壓力和溫度分別為6.28 MPa、241℃.管子采用321不銹鋼材料，廠家提供的321不銹鋼材料的化學成分見表7-2,管板采用20MnMo材料。換熱管和管板管孔的連接方式采用強度焊十密封脹。
設備在使(shi)用兩年左右后，發(fa)(fa)現出(chu)口蒸汽中一(yi)氧化碳(tan)含量明(ming)顯增高，判斷(duan)水煤氣出(chu)現泄漏(lou)(lou)(lou)(lou)。設備停(ting)車檢修時，并未發(fa)(fa)現宏觀缺(que)陷(xian)。但水壓試驗(yan)時，發(fa)(fa)現管(guan)板堆焊層11處(chu)(chu)漏(lou)(lou)(lou)(lou)點(dian)；后經堵漏(lou)(lou)(lou)(lou)處(chu)(chu)理(li)，漏(lou)(lou)(lou)(lou)點(dian)反而增加到20多處(chu)(chu)。第二(er)次水壓試驗(yan)時，又出(chu)現新的漏(lou)(lou)(lou)(lou)點(dian)，同時，在管(guan)子內壁發(fa)(fa)現一(yi)些黑色附著物(wu)，泄漏(lou)(lou)(lou)(lou)點(dian)位置和管(guan)內附著物(wu)如圖7-1所示。
二、失效分析過程和(he)結(jie)果
1. 現場勘查
首先(xian)對(dui)不銹(xiu)鋼管板進行著色(se)探傷，未發現裂(lie)紋(wen)，如圖7-2(a)所示(shi)(shi)。其次，對(dui)筒(tong)體進行了檢查，未發現裂(lie)紋(wen)、腐蝕等現象，如圖7-2(b)所示(shi)(shi)。經(jing)(jing)仔細觀察，泄漏水(shui)珠是(shi)從(cong)換熱管內(nei)流出的(de)，因此，基本可以確定裂(lie)紋(wen)出現在(zai)(zai)換熱管上。經(jing)(jing)滲透檢測和打磨，開始在(zai)(zai)管內(nei)壁(bi)未發現裂(lie)紋(wen)，但經(jing)(jing)過(guo)滲透和打磨之后，出現樹枝(zhi)狀裂(lie)紋(wen)；隨著打磨的(de)進行，裂(lie)紋(wen)越來越清晰，并且(qie)裂(lie)紋(wen)寬度(du)由管內(nei)向外(wai)逐漸增加(jia)，如圖7-2(c)所示(shi)(shi)。因此，可以初步(bu)判斷(duan)裂(lie)紋(wen)起源于管外(wai)壁(bi)，向內(nei)部擴(kuo)展。
2. 現場取樣
分別取含(han)有漏點的一(yi)段進氣(qi)管以及對應(ying)的出氣(qi)管，同時收(shou)集(ji)了管束(shu)內壁附著物，如(ru)圖7-3所示。
3. 換熱管材料分析(xi)
采(cai)用光(guang)譜儀對失(shi)效換(huan)熱管(guan)材(cai)料化學成分(fen)進行(xing)了檢(jian)測分(fen)析，表明換(huan)熱管(guan)材(cai)料化學成分(fen)基本符合(he)GB 13296-2007《鍋(guo)爐(lu)、熱交換(huan)器用不銹鋼(gang)無(wu)縫(feng)鋼(gang)管(guan)》標準中對321不銹鋼(gang)的成分(fen)要求，結果見表7-3.
4. 裂紋檢查
如(ru)圖7-4所示，把兩取(qu)(qu)(qu)(qu)樣(yang)(yang)(yang)管(guan)打磨后(hou)，在(zai)(zai)進(jin)氣(qi)管(guan)外壁1、2區域(yu)內(nei)用(yong)肉(rou)眼可以觀(guan)察到(dao)微小裂(lie)(lie)紋，同時還發現在(zai)(zai)較粗(cu)裂(lie)(lie)紋處有一些小凹坑。在(zai)(zai)取(qu)(qu)(qu)(qu)樣(yang)(yang)(yang)區1取(qu)(qu)(qu)(qu)試(shi)樣(yang)(yang)(yang)1。觀(guan)測(ce)(ce)取(qu)(qu)(qu)(qu)樣(yang)(yang)(yang)管(guan)橫截(jie)面的(de)裂(lie)(lie)紋和(he)(he)金(jin)(jin)相(xiang)組(zu)織(zhi)(zhi)；在(zai)(zai)取(qu)(qu)(qu)(qu)樣(yang)(yang)(yang)區2取(qu)(qu)(qu)(qu)試(shi)樣(yang)(yang)(yang)2,用(yong)以觀(guan)察取(qu)(qu)(qu)(qu)樣(yang)(yang)(yang)管(guan)表面裂(lie)(lie)紋、裂(lie)(lie)紋內(nei)腐蝕產物(wu)化學成分(fen)和(he)(he)金(jin)(jin)相(xiang)組(zu)織(zhi)(zhi)；在(zai)(zai)取(qu)(qu)(qu)(qu)樣(yang)(yang)(yang)區3取(qu)(qu)(qu)(qu)試(shi)樣(yang)(yang)(yang)3,用(yong)以觀(guan)測(ce)(ce)取(qu)(qu)(qu)(qu)樣(yang)(yang)(yang)管(guan)縱截(jie)面的(de)裂(lie)(lie)紋和(he)(he)金(jin)(jin)相(xiang)組(zu)織(zhi)(zhi)。同時，在(zai)(zai)出(chu)氣(qi)管(guan)的(de)取(qu)(qu)(qu)(qu)樣(yang)(yang)(yang)區4、5取(qu)(qu)(qu)(qu)試(shi)樣(yang)(yang)(yang)4和(he)(he)試(shi)樣(yang)(yang)(yang)5,分(fen)別(bie)觀(guan)測(ce)(ce)橫、縱截(jie)面裂(lie)(lie)紋和(he)(he)金(jin)(jin)相(xiang)組(zu)織(zhi)(zhi)。
試樣1: 經過打磨、拋光、王水腐蝕，在試樣1橫截面中發現一條穿透性裂紋及其他細小裂紋。裂紋呈樹枝狀，分叉較多，沿橫截面從管外壁向內發展，具有典型不銹鋼應力腐蝕形貌，如圖7-5所示。組織為單相奧氏體，有孿晶分布，晶粒均勻，符合321不銹鋼固溶處理的組織要求，但觀察到一些顆粒較大的夾雜物，如圖7-6所示。
試(shi)樣2: 顯(xian)微鏡(jing)下觀(guan)察到換熱管(guan)表面裂紋平(ping)行于軸向擴展，有(you)主干和分(fen)支之(zhi)分(fen)，為(wei)明顯(xian)的(de)穿晶(jing)(jing)型裂紋。金相組(zu)織(zhi)為(wei)單相奧氏體(ti)，有(you)孿晶(jing)(jing)分(fen)布，晶(jing)(jing)粒較均(jun)勻，符(fu)合321不銹鋼(gang)固(gu)溶處理的(de)組(zu)織(zhi)要求。同時，也觀(guan)察到一些顆粒較大(da)的(de)夾雜物，如圖(tu)7-7所示。
試(shi)樣(yang)3~5: 顯微(wei)鏡下(xia)，試(shi)樣(yang)3(進氣管縱截面(mian)）以及試(shi)樣(yang)4、5(出氣管縱、橫截面(mian)）均(jun)(jun)未發(fa)現(xian)裂(lie)紋。金相(xiang)組(zu)織為單相(xiang)奧氏體，有(you)孿(luan)晶分布，晶粒較均(jun)(jun)勻，符合(he)321不銹鋼(gang)固溶處理的組(zu)織要求，如圖7-8和圖7-9。在試(shi)樣(yang)3顯微(wei)組(zu)織中發(fa)現(xian)有(you)TiN夾雜物，但量很少(shao)，屬正常(chang)現(xian)象。
5. 裂紋縫隙內雜質成分分析
為(wei)了分(fen)(fen)析裂(lie)紋(wen)縫隙內(nei)腐蝕產物(wu)的(de)(de)化學成(cheng)分(fen)(fen)，取試樣2外壁裂(lie)紋(wen)區(qu)域進行了電子探針檢測。掃描區(qu)域的(de)(de)顯(xian)微(wei)形貌見圖7-10(a),裂(lie)紋(wen)有主次之分(fen)(fen)，并(bing)平行于(yu)軸向發(fa)展。掃描波(bo)譜結(jie)果見圖7-10(b),表7-4列出(chu)了裂(lie)紋(wen)內(nei)腐蝕產物(wu)部分(fen)(fen)成(cheng)分(fen)(fen)的(de)(de)半定量分(fen)(fen)析結(jie)果。在檢測中(zhong)(zhong)發(fa)現，腐蝕產物(wu)的(de)(de)主要金屬(shu)成(cheng)分(fen)(fen)為(wei)鐵和(he)鉻(ge),非金屬(shu)元素(su)為(wei)氯、硫(liu)和(he)氧，在波(bo)譜上能看到明(ming)顯(xian)的(de)(de)Cl峰和(he)S峰，說(shuo)明(ming)該廢(fei)鍋(guo)的(de)(de)運行環境中(zhong)(zhong)殼程(cheng)介質(zhi)含有的(de)(de)氯、硫(liu)可能是介質(zhi)中(zhong)(zhong)的(de)(de)也(ye)可能是材質(zhi)本身的(de)(de)。
6. 管壁(bi)附著(zhu)物的化學成(cheng)分(fen)分(fen)析(xi)
為了確定換熱(re)管內壁黑色附(fu)著(zhu)物的(de)(de)成分，在(zai)附(fu)著(zhu)物較厚處取下一(yi)些樣品(pin)。為全(quan)面分析(xi)附(fu)著(zhu)物的(de)(de)化學成分，采用電(dian)感(gan)耦(ou)合等離(li)子體－發射(she)光譜法(fa)檢(jian)測(ce)金(jin)屬(shu)(shu)元(yuan)(yuan)素(su)、元(yuan)(yuan)素(su)分析(xi)法(fa)檢(jian)測(ce)碳和硫元(yuan)(yuan)素(su)、離(li)子色譜法(fa)檢(jian)測(ce)氯元(yuan)(yuan)素(su)。檢(jian)測(ce)結果(guo)顯示，主要金(jin)屬(shu)(shu)元(yuan)(yuan)素(su)是鐵,質量(liang)(liang)分數為30%,另外還有少量(liang)(liang)的(de)(de)鎳、砷、氯等；非金(jin)屬(shu)(shu)硫元(yuan)(yuan)素(su)的(de)(de)含量(liang)(liang)非常高，達到34%,當硫元(yuan)(yuan)素(su)以濕硫化氫存在(zai)時，也會引(yin)起奧氏體不銹鋼應力(li)腐蝕。
7. 廢熱鍋爐(lu)進出水水質分(fen)析
為了分析廢熱鍋爐管束失效的原因，需對其所使用水的水質和操作情況進行調查。根據公司檢測中心的分析結果，廢熱鍋爐進水中氯離子含量是4.08mg/kg,排污水中的氯離子(zi)含量未進行檢測；水煤氣冷凝液中氯離子含量為14.53mg/kg,見表7-5.廢熱鍋爐連排水、間排水以及水煤氣出口冷凝水樣檢測分析結果見表7-6。從檢驗結果來看，取樣水中的氯離(li)子元素含量較少，說明在生產中鍋爐用水軟化處理的質量較高。
通過以上綜合分析可(ke)以判斷(duan)，不銹鋼管(guan)(guan)子(zi)的(de)(de)裂紋是由應(ying)力腐蝕引起的(de)(de)。管(guan)(guan)子(zi)脹接(jie)(jie)后會產生殘余應(ying)力，管(guan)(guan)板和管(guan)(guan)子(zi)焊(han)(han)接(jie)(jie)后也會產生殘余應(ying)力。很多(duo)文獻(xian)已經證明脹接(jie)(jie)和焊(han)(han)接(jie)(jie)殘余應(ying)力的(de)(de)存在。在設(she)備檢(jian)修時，換熱管(guan)(guan)貼(tie)脹部(bu)位(wei)的(de)(de)管(guan)(guan)子(zi)在去除強度(du)焊(han)(han)焊(han)(han)縫后很容易從(cong)管(guan)(guan)板中(zhong)取出(chu)，說明管(guan)(guan)子(zi)與管(guan)(guan)板之(zhi)間存在微小(xiao)的(de)(de)縫隙。介質中(zhong)微量的(de)(de)氯離子(zi)可(ke)以在縫隙內濃縮，使其濃度(du)升(sheng)高。
三、最小脹緊(jin)壓力計(ji)算
管(guan)(guan)(guan)子和管(guan)(guan)(guan)板之(zhi)間(jian)貼脹(zhang)(zhang)是否緊密主要取決于脹(zhang)(zhang)接(jie)(jie)壓(ya)力(li)的大(da)(da)小(xiao)。貼脹(zhang)(zhang)壓(ya)力(li)過(guo)小(xiao)，換(huan)熱(re)管(guan)(guan)(guan)和管(guan)(guan)(guan)板孔間(jian)會存在縫隙；脹(zhang)(zhang)接(jie)(jie)壓(ya)力(li)過(guo)大(da)(da)，管(guan)(guan)(guan)板和管(guan)(guan)(guan)子之(zhi)間(jian)產生(sheng)較大(da)(da)的接(jie)(jie)觸(chu)應力(li)，使管(guan)(guan)(guan)外(wai)壁因受管(guan)(guan)(guan)板孔的擠壓(ya)而產生(sheng)額(e)外(wai)的應力(li)。因此，有必要對貼脹(zhang)(zhang)的最(zui)小(xiao)壓(ya)力(li)進行(xing)討論。下面通過(guo)理論計算(suan)和有限元數(shu)值(zhi)模擬來分析本(ben)失效案例中所需(xu)的最(zui)小(xiao)貼脹(zhang)(zhang)壓(ya)力(li)。
1. 換熱(re)管力學性能測試
為獲(huo)得(de)準確的換熱(re)管(guan)材(cai)料(liao)特(te)(te)性(xing)，特(te)(te)從廢熱(re)鍋(guo)爐制造(zao)廠(chang)家獲(huo)取管(guan)材(cai)，采用萬(wan)能拉(la)伸試(shi)驗(yan)設(she)備進行(xing)材(cai)料(liao)的拉(la)伸試(shi)驗(yan)。材(cai)料(liao)試(shi)樣(yang)的制造(zao)及拉(la)伸試(shi)驗(yan)過(guo)程按(an)照GB/T228.1-2010《金屬材(cai)料(liao)拉(la)伸試(shi)驗(yan)第1部分；室溫試(shi)驗(yan)方法》標(biao)準進行(xing)試(shi)驗(yan)。試(shi)樣(yang)圖紙以及加工試(shi)樣(yang)如圖7-11所(suo)示(shi)，拉(la)伸試(shi)驗(yan)的應力(li)－應變(bian)曲線如圖7-12所(suo)示(shi)。
2. 脹(zhang)接力的理論(lun)計算
液壓(ya)脹(zhang)接(jie)是一種(zhong)柔性脹(zhang)接(jie)技術，壓(ya)力(li)均(jun)勻地作用于不(bu)銹鋼管(guan)子內(nei)(nei)壁(bi)，管(guan)子的(de)變形(xing)在幾秒鐘(zhong)內(nei)(nei)完成。由于管(guan)子沒有受(shou)到(dao)反復碾(nian)壓(ya)，這種(zhong)脹(zhang)接(jie)過程難以達到(dao)對(dui)管(guan)子與管(guan)板之問粗糙表而(er)的(de)“填平”效果(guo)。為保證脹(zhang)接(jie)質量，管(guan)板孔的(de)加工粗糙度應控制在Ra6.3μm以內(nei)(nei)。
根據液壓脹管機廠(chang)家提(ti)供(gong)的資料，可按下列(lie)方法計算(suan)脹接力：
不銹鋼換熱管和管板之間采用貼脹時，可根據式（7-2)計算所需脹接力。從式（7-2)可以看出，脹接力與脹接件的尺寸和材料的屈服強度密切相關。換熱管材料321不銹鋼的保證屈服強度ReLt ≥205MPa;從廠家提供的“壓力容器產品主要受壓元件使用材料一覽表”中查得，換熱管材料ReLt的供應值是240MPa,廠家復驗值為297MPa,本次分析的試驗值為292MPa。
在(zai)實際的(de)(de)(de)制造(zao)中，管(guan)(guan)板(ban)(ban)孔徑(jing)(jing)D和(he)(he)換(huan)(huan)熱(re)(re)管(guan)(guan)的(de)(de)(de)壁厚(hou)(hou)都允許(xu)存在(zai)偏(pian)差(cha)(cha)(cha)(cha)(cha)(cha)。根據(ju)換(huan)(huan)熱(re)(re)器制造(zao)相關標準(zhun)(zhun)(zhun)的(de)(de)(de)規(gui)定(ding)，一級(ji)(ji)管(guan)(guan)束管(guan)(guan)板(ban)(ban)孔直(zhi)徑(jing)(jing)是(shi)625.25mm時，允許(xu)偏(pian)差(cha)(cha)(cha)(cha)(cha)(cha)為(wei)(wei)0~+0.15.根據(ju)GB/T 17395-2008《無縫鋼管(guan)(guan)尺(chi)(chi)寸、外(wai)形、重量及(ji)允許(xu)偏(pian)差(cha)(cha)(cha)(cha)(cha)(cha)》標準(zhun)(zhun)(zhun)的(de)(de)(de)規(gui)定(ding)、管(guan)(guan)子(zi)(zi)外(wai)徑(jing)(jing)偏(pian)差(cha)(cha)(cha)(cha)(cha)(cha)分(fen)為(wei)(wei)標準(zhun)(zhun)(zhun)化(hua)(hua)(hua)(hua)外(wai)徑(jing)(jing)允許(xu)偏(pian)差(cha)(cha)(cha)(cha)(cha)(cha)四級(ji)(ji)和(he)(he)非標準(zhun)(zhun)(zhun)化(hua)(hua)(hua)(hua)外(wai)徑(jing)(jing)允許(xu)偏(pian)差(cha)(cha)(cha)(cha)(cha)(cha)四級(ji)(ji)。根據(ju)管(guan)(guan)孔公(gong)差(cha)(cha)(cha)(cha)(cha)(cha)，能與管(guan)(guan)板(ban)(ban)孔配(pei)(pei)(pei)合的(de)(de)(de)管(guan)(guan)子(zi)(zi)公(gong)差(cha)(cha)(cha)(cha)(cha)(cha)范圍為(wei)(wei)D4級(ji)(ji)士(shi)0.10、ND4級(ji)(ji)士(shi)0.20兩種(zhong)。由于管(guan)(guan)板(ban)(ban)孔直(zhi)徑(jing)(jing)和(he)(he)換(huan)(huan)熱(re)(re)管(guan)(guan)外(wai)徑(jing)(jing)和(he)(he)壁厚(hou)(hou)制造(zao)尺(chi)(chi)寸偏(pian)差(cha)(cha)(cha)(cha)(cha)(cha)的(de)(de)(de)存在(zai)，會影響換(huan)(huan)熱(re)(re)管(guan)(guan)和(he)(he)管(guan)(guan)板(ban)(ban)孔之(zhi)間(jian)空隙(xi)的(de)(de)(de)大小(xiao)。在(zai)不考慮(lv)偏(pian)差(cha)(cha)(cha)(cha)(cha)(cha)時，換(huan)(huan)熱(re)(re)管(guan)(guan)和(he)(he)管(guan)(guan)板(ban)(ban)孔之(zhi)間(jian)間(jian)隙(xi)為(wei)(wei)Δr=0.125mm;考慮(lv)偏(pian)差(cha)(cha)(cha)(cha)(cha)(cha)時，即對D4級(ji)(ji)管(guan)(guan)子(zi)(zi)和(he)(he)管(guan)(guan)板(ban)(ban)孔配(pei)(pei)(pei)合的(de)(de)(de)最大間(jian)隙(xi)為(wei)(wei)Δrmax=0.250mm,最小(xiao)間(jian)隙(xi)為(wei)(wei)Δrmin=0.075mm;對ND4級(ji)(ji)管(guan)(guan)子(zi)(zi)和(he)(he)管(guan)(guan)板(ban)(ban)孔配(pei)(pei)(pei)合的(de)(de)(de)最大間(jian)隙(xi)為(wei)(wei)Δrmax=0.300mm,最小(xiao)間(jian)隙(xi)為(wei)(wei)Δrmin=0.025mm.根據(ju)GB/T 17395-2008《無縫鋼管(guan)(guan)尺(chi)(chi)寸、外(wai)形、重量及(ji)允許(xu)偏(pian)差(cha)(cha)(cha)(cha)(cha)(cha)》標準(zhun)(zhun)(zhun)的(de)(de)(de)規(gui)定(ding)，管(guan)(guan)子(zi)(zi)壁厚(hou)(hou)偏(pian)差(cha)(cha)(cha)(cha)(cha)(cha)分(fen)為(wei)(wei)標準(zhun)(zhun)(zhun)化(hua)(hua)(hua)(hua)壁厚(hou)(hou)允許(xu)偏(pian)差(cha)(cha)(cha)(cha)(cha)(cha)九級(ji)(ji)（含(han)亞級(ji)(ji)）和(he)(he)非標準(zhun)(zhun)(zhun)化(hua)(hua)(hua)(hua)壁厚(hou)(hou)允許(xu)偏(pian)差(cha)(cha)(cha)(cha)(cha)(cha)四級(ji)(ji)。按換(huan)(huan)熱(re)(re)管(guan)(guan)強(qiang)度要(yao)求，可供選(xuan)擇的(de)(de)(de)換(huan)(huan)熱(re)(re)管(guan)(guan)壁厚(hou)(hou)偏(pian)差(cha)(cha)(cha)(cha)(cha)(cha)有：S3A級(ji)(ji)±0.20、S4A級(ji)(ji)±0.15、S5級(ji)(ji)±0.10、NS1級(ji)(ji)－0.25~+0.30、NS2級(ji)(ji)＋0.30~-0.20、NS3級(ji)(ji)＋0.25~-0.20、NS4級(ji)(ji)－0.15~+0.25.表(biao)7-7列出了兩種(zhong)公(gong)差(cha)(cha)(cha)(cha)(cha)(cha)配(pei)(pei)(pei)合下，NS3級(ji)(ji)－0.20~+0.25的(de)(de)(de)壁厚(hou)(hou)偏(pian)差(cha)(cha)(cha)(cha)(cha)(cha)下，根據(ju)式(shi)（7-2)計算(suan)出的(de)(de)(de)脹接力Pmin的(de)(de)(de)數(shu)值(zhi)。
從表7-7來看，Δr=0.125mm時，ReLt＝205MPa 計算出的(de)脹接(jie)力(li)為142MPa，ReLt＝292MPa時的(de)脹接(jie)力(li)為202MPa,兩者差(cha)(cha)距(ju)較(jiao)大(da)(da)。在(zai)(zai)脹接(jie)件的(de)尺寸(cun)確定的(de)條(tiao)件下，脹接(jie)力(li)Pmin，隨屈(qu)服(fu)強度的(de)增(zeng)加而(er)增(zeng)大(da)(da)；在(zai)(zai)同一(yi)屈(qu)服(fu)強度下，脹接(jie)力(li)隨著管板之間(jian)空隙的(de)減小(xiao)而(er)增(zeng)大(da)(da)，這顯然是(shi)與(yu)實際情況不符(fu)的(de)。這說明武（7-2)沒有考慮(lv)脹接(jie)件的(de)尺寸(cun)偏(pian)差(cha)(cha)，因(yin)此在(zai)(zai)使用(yong)式（7-2)時不能把(ba)尺寸(cun)偏(pian)差(cha)(cha)帶(dai)入其(qi)中。
不考慮尺(chi)寸(cun)偏差(cha)，管板的Rep=370MPa時，換熱管不同屈服(fu)強度下(xia)根據式(shi)（7-3)計算出(chu)的最大脹(zhang)接力P max見(jian)表7-8。
貼脹時，脹接力取Pmin，但是Pmin是使換熱管和管板開始產生殘余應力的最小脹接力，在實際脹接中脹接力的取值要大于Pmin;對密封要求高的強度脹接，脹接力取最大值Pmax。
脹(zhang)接件的(de)加工尺(chi)寸偏差除了影(ying)響脹(zhang)接力(li)的(de)大小，還(huan)直接影(ying)響液(ye)袋式(shi)液(ye)壓脹(zhang)管(guan)(guan)成(cheng)本。在(zai)超高壓的(de)脹(zhang)接壓力(li)作用(yong)下，管(guan)(guan)子(zi)(zi)向外膨(peng)脹(zhang)，間(jian)(jian)隙越(yue)(yue)大，管(guan)(guan)子(zi)(zi)的(de)形(xing)變(bian)(bian)越(yue)(yue)大，因(yin)而液(ye)袋脹(zhang)頭與(yu)管(guan)(guan)子(zi)(zi)內(nei)壁(bi)之間(jian)(jian)的(de)間(jian)(jian)隙將(jiang)隨(sui)著(zhu)尺(chi)寸偏差加大而增大。液(ye)袋在(zai)超高壓作用(yong)下，具(ju)有向間(jian)(jian)隙中流動的(de)趨勢，使(shi)液(ye)袋受到損(sun)傷。在(zai)同(tong)樣的(de)脹(zhang)接壓力(li)下，脹(zhang)頭頭部的(de)尺(chi)寸與(yu)管(guan)(guan)子(zi)(zi)變(bian)(bian)形(xing)后的(de)間(jian)(jian)隙越(yue)(yue)大，液(ye)袋越(yue)(yue)易(yi)損(sun)壞，這(zhe)種損(sun)傷隨(sui)著(zhu)間(jian)(jian)隙的(de)增大成(cheng)幾何級數加劇。
3. 脹(zhang)接壓力有限元分(fen)析
為了解在多大的(de)脹(zhang)(zhang)接力下換熱管(guan)和管(guan)板(ban)能有效(xiao)貼合，現(xian)對換熱管(guan)-管(guan)板(ban)焊(han)脹(zhang)(zhang)連(lian)接處進行(xing)有限元分(fen)析(xi)。根據脹(zhang)(zhang)管(guan)和管(guan)板(ban)的(de)實際尺寸(cun)建立模(mo)型圖，施加不同的(de)脹(zhang)(zhang)接力，觀察脹(zhang)(zhang)接效(xiao)果。在分(fen)析(xi)時，考慮7.3.2節分(fen)析(xi)的(de)制造尺寸(cun)偏(pian)差情(qing)況和材(cai)料的(de)力學性能對脹(zhang)(zhang)接力的(de)影響。
A. 基本參(can)數
換(huan)熱管(guan)(guan)的(de)(de)(de)規格為(wei)(wei)(wei)Φ25mm×2mm,換(huan)熱管(guan)(guan)在管(guan)(guan)板(ban)(ban)上以等邊三角形(xing)的(de)(de)(de)形(xing)狀排(pai)列(lie)，孔中心距(ju)為(wei)(wei)(wei)32mm,管(guan)(guan)板(ban)(ban)孔徑(jing)為(wei)(wei)(wei)25.25mm+0.15mm.換(huan)熱管(guan)(guan)和管(guan)(guan)板(ban)(ban)的(de)(de)(de)連(lian)接方式采用(yong)強度焊＋液壓(ya)脹，脹接力(li)(li)為(wei)(wei)(wei)142MPa.管(guan)(guan)程工作壓(ya)力(li)(li)為(wei)(wei)(wei)6.28MPa;換(huan)熱管(guan)(guan)的(de)(de)(de)一端(duan)伸(shen)出堆焊層的(de)(de)(de)長度為(wei)(wei)(wei)2.5mm,脹接從距(ju)離換(huan)熱管(guan)(guan)口17.5mm處開(kai)始(shi)脹接部分共長268mm,管(guan)(guan)板(ban)(ban)與(yu)換(huan)熱管(guan)(guan)連(lian)接的(de)(de)(de)結構圖(tu)如圖(tu)7-13所示，根(gen)據實際結構尺(chi)寸簡畫出的(de)(de)(de)幾何圖(tu)如圖(tu)7-14所示。
B. 有限(xian)元模型
總體(ti)坐標采用(yong)柱坐標系，以換(huan)熱管軸線為Z軸，徑(jing)向為R,建立(li)二(er)維模型。管板和換熱管均采用軸對稱 plane182單元(yuan)(yuan)，TARGE169目標面單元(yuan)(yuan)和CONTA172接(jie)觸面單元建立(li)換熱管(guan)與(yu)管(guan)板間的柔性面－面接(jie)觸對(dui)，網格采(cai)用四面體網格，整個模型的單元總數為10650個。在建立模型的過程中，根據7.3.2節分析的間隙值情況，考慮四種管孔與管子外徑間隙值：對管子D4級±0.10,最大間隙為Δrmax=0.250mm,最小間隙為Δr min=0.075mm;對管子ND4級±0.20,最大間隙為Δrmax=0.300mm,最小間隙為Δrmin＝0.025mm;不考慮制造尺寸偏差時的Δr=0.125mm.不考慮尺寸偏差時的模型圖和網格的劃分如圖7-15。
采(cai)用(yong)貼(tie)脹時，換熱(re)(re)管(guan)在脹接(jie)過(guo)程中會發(fa)生(sheng)(sheng)(sheng)微小的(de)(de)(de)塑(su)(su)性(xing)形變，管(guan)板(ban)(ban)(ban)只產生(sheng)(sheng)(sheng)彈(dan)(dan)性(xing)形變。因(yin)此，在ANSYS分析過(guo)程中，采(cai)用(yong)塑(su)(su)性(xing)模(mo)型中隨動(dong)強化(hua)Mises率不相關的(de)(de)(de)多線性(xing)模(mo)型作為換熱(re)(re)管(guan)的(de)(de)(de)材料本構關系模(mo)型，數據取(qu)自321不銹鋼實測應力-應變曲線；管(guan)板(ban)(ban)(ban)采(cai)用(yong)各向同(tong)性(xing)的(de)(de)(de)彈(dan)(dan)性(xing)模(mo)型。脹接(jie)過(guo)程是(shi)在換熱(re)(re)管(guan)的(de)(de)(de)內表面施加(jia)不同(tong)的(de)(de)(de)壓力值，使(shi)傳熱(re)(re)管(guan)發(fa)生(sheng)(sheng)(sheng)塑(su)(su)性(xing)變形而管(guan)板(ban)(ban)(ban)發(fa)生(sheng)(sheng)(sheng)彈(dan)(dan)性(xing)變形，卸(xie)掉載(zai)荷后(hou)管(guan)板(ban)(ban)(ban)緊(jin)緊(jin)地壓緊(jin)傳熱(re)(re)管(guan)，達到連接(jie)的(de)(de)(de)目的(de)(de)(de)。根(gen)據模(mo)型的(de)(de)(de)對稱性(xing)，管(guan)板(ban)(ban)(ban)的(de)(de)(de)表面是(shi)固定不動(dong)的(de)(de)(de)，在模(mo)型中設置為完全約(yue)束。換熱(re)(re)管(guan)在脹接(jie)的(de)(de)(de)過(guo)程中軸(zhou)(zhou)是(shi)沒有位移(yi)的(de)(de)(de)，所(suo)以在傳熱(re)(re)管(guan)的(de)(de)(de)軸(zhou)(zhou)向設定約(yue)束。
C. 脹接過程模擬
通過(guo)載(zai)(zai)(zai)荷(he)增量法將脹(zhang)(zhang)接(jie)(jie)(jie)壓(ya)力(li)施加到管子(zi)內表(biao)面施脹(zhang)(zhang)部位的(de)單(dan)元上，并(bing)分(fen)(fen)三個(ge)階(jie)段(duan)模擬脹(zhang)(zhang)接(jie)(jie)(jie)過(guo)程：第(di)一(yi)階(jie)段(duan)為(wei)脹(zhang)(zhang)接(jie)(jie)(jie)壓(ya)力(li)由(you)零(ling)增加至(zhi)規定(ding)的(de)壓(ya)力(li)，即脹(zhang)(zhang)接(jie)(jie)(jie)壓(ya)力(li)加載(zai)(zai)(zai)段(duan)；第(di)二階(jie)段(duan)為(wei)脹(zhang)(zhang)接(jie)(jie)(jie)力(li)停留一(yi)段(duan)時(shi)間(jian)；第(di)三階(jie)段(duan)為(wei)脹(zhang)(zhang)接(jie)(jie)(jie)壓(ya)力(li)由(you)規定(ding)值(zhi)減少(shao)至(zhi)零(ling)，即脹(zhang)(zhang)接(jie)(jie)(jie)壓(ya)力(li)卸載(zai)(zai)(zai)段(duan)。考慮到接(jie)(jie)(jie)觸和材料非線性(xing)的(de)計(ji)算收(shou)斂速度(du)和計(ji)算精度(du)，每(mei)個(ge)階(jie)段(duan)劃分(fen)(fen)為(wei)幾(ji)個(ge)載(zai)(zai)(zai)荷(he)步(bu)(bu)，每(mei)個(ge)載(zai)(zai)(zai)荷(he)步(bu)(bu)中(zhong)增加若(ruo)干個(ge)子(zi)載(zai)(zai)(zai)荷(he)步(bu)(bu)。為(wei)提(ti)高(gao)求解過(guo)程的(de)收(shou)斂速度(du)。使(shi)用(yong)完全的(de)Newton-Raphson迭代，以保(bao)證每(mei)次(ci)平衡迭代使(shi)用(yong)正切剛度(du)矩陣，使(shi)用(yong)線性(xing)搜索使(shi)計(ji)算穩(wen)定(ding)化。整個(ge)脹(zhang)(zhang)接(jie)(jie)(jie)過(guo)程所用(yong)時(shi)間(jian)為(wei)2~3s.
D. 模擬結果及(ji)分析
有限元模擬時，分別考慮制造尺寸偏差和材料力學性能的影響。首先，在ReLt=292MPa時，計算間隙為0.125mm、0.325mm和0.05mm時所需的貼合脹接力；其次，分析ReLt為292MPa和205MPa時的脹接力。
①. ReLt=292MPa時。
a. 無制造尺寸偏差、間(jian)隙Δr=0.125mm時，換熱(re)管的(de)規(gui)格為Φ25mm×2mm,管板孔徑為25.25mm,模(mo)型如圖7-15所示。分析(xi)時，選取(qu)脹管中(zhong)間(jian)位置(zhi)換熱(re)管外壁的(de)單元A進行有限元分析(xi)，位置(zhi)如圖 7-16。
分(fen)別施加100MPa、142MPa、180MPa、210MPa、240MPa等的脹接力(li)，經過多次計(ji)算發現，在230MPa時(shi)(shi)單元A沿R方向的絕對位(wei)移(yi)量u=0.125005，如圖7-17所示。表明此時(shi)(shi)換熱管和管板能有效貼(tie)合。
b. 考慮制造尺寸偏差、間隙Δrmax=0.325mm時，當考慮管板的上偏差十0.15和換熱管下偏差－0.25時，最大間隙為0.325mm,換熱管壁厚1.75mm,模型如圖7-18.分析方法同Δr=0.125mm時的分析方法，經過多個脹接力的計算，在240MPa時單元A沿R方向的絕對位移量u=0.325002,如圖7-19所示。
c. 考慮制造尺寸偏差，間隙Δrmin=0.05mm時，當考慮管板的上偏差＋0.15和換熱管最大上偏差＋0.25時，最小間隙為0.05mm,換熱管壁厚為2.125mm,模型如圖7-20所示。經過多個脹接力的計算，在195MPa時，單元A沿R方向的絕對位移量u=0.05001,如圖7-21所示。
從模(mo)擬結果看出，間(jian)隙(xi)越大(da)，需(xu)要的脹接力越大(da)，0.05~0.325mm的間(jian)隙(xi)在142MPa的脹接力下不能保證(zheng)換熱管和(he)管板之(zhi)間(jian)緊密(mi)貼合。
②. 為了解材料力學性能對脹接力的影響，在相同的間隙Δr=0.125mm的情況下取ReLt=205MPa和ReLt=292MPa,對脹接力進行分析。ReLt=292MPa的脹接力為230MPa,下面對ReLt=205MPa的脹接力進行分析，模型圖如圖7-22所示。分析方法同上，結果表明脹接力在180MPa時，單元A沿R方向的絕對位移量 υ=0.125002，換熱管和管板能有效貼合，結果見圖 7-23。
結(jie)果表明，換熱管屈(qu)服強度大(da)時所需(xu)的脹接(jie)力也(ye)大(da)。模(mo)擬的結(jie)果與(yu)式(shi)（7-2)計算結(jie)果比較：不考慮偏差時大(da)約相(xiang)等；間(jian)隙大(da)時，模(mo)擬結(jie)果比計算結(jie)果大(da)；間(jian)隙小時，模(mo)擬結(jie)果比計算值(zhi)小。
E. 換熱管脹接(jie)后殘余應(ying)力(li)
經過脹(zhang)接(jie)(jie)后換熱管(guan)發生(sheng)微小的(de)(de)塑性形(xing)變，管(guan)壁(bi)各處會存在殘余(yu)脹(zhang)接(jie)(jie)應(ying)力(li)，在管(guan)外(wai)壁(bi)取(qu)一單元分析其等效殘余(yu)應(ying)力(li)情(qing)況(kuang)，不(bu)同情(qing)況(kuang)下(xia)等效殘余(yu)應(ying)力(li)隨時間(jian)的(de)(de)變化結果如圖7-24所示(shi)。
分析發(fa)現、換(huan)熱管外壁的等(deng)效殘余應力處在20~40MPa之(zhi)間。
四、分析(xi)結(jie)果討論(lun)
不銹鋼管(guan)子(zi)的(de)應(ying)力腐蝕(shi)由(you)拉應(ying)力和(he)腐蝕(shi)介質共同引起。裂紋起源于管(guan)子(zi)外(wai)表(biao)面，并穿透壁面引起泄(xie)漏。通過公式計(ji)算(suan)和(he)有限元分析發現(xian)，管(guan)子(zi)和(he)管(guan)板(ban)所(suo)需的(de)最小脹接壓(ya)(ya)力約為(wei)200MPa。在142MPa脹接壓(ya)(ya)力下，管(guan)子(zi)和(he)管(guan)板(ban)之間貼合不緊(jin)密，存在縫隙(xi)。一旦換熱(re)(re)管(guan)與換熱(re)(re)管(guan)孔之間現(xian)間隙(xi)，就(jiu)為(wei)氯離子(zi)的(de)富集創造了(le)條件。
首先，攜帶微量氯(lv)離子(zi)(zi)(zi)的高溫鍋(guo)爐(lu)進入縫(feng)隙(xi)(xi)，水在(zai)縫(feng)隙(xi)(xi)內變成蒸汽后排出(chu)。由于縫(feng)隙(xi)(xi)內流(liu)體緩慢(man)，進入縫(feng)隙(xi)(xi)內的氯(lv)離子(zi)(zi)(zi)因擴散(san)系數變小而不易(yi)排出(chu)，特別是(shi)在(zai)近壁面，氯(lv)離子(zi)(zi)(zi)擴散(san)系數很(hen)小，氯(lv)離子(zi)(zi)(zi)將在(zai)壁面沉(chen)積，如圖7-25所示(shi)。
其次，狹長的縫隙容易造成縫隙腐蝕，縫隙內陽極反應是金屬的溶解反應M→M++e,陰極的還原反應是O2+2H2O+4e→4OH-,縫隙內溶液中的O2逐漸消耗，且不能及時補充，使陰極反應逐漸終止。縫隙內的陽極反應主要依靠縫隙外表的陰極反應來平衡，形成“大陰極”和“小陽極”。為了保持電荷平衡，氯離子向縫隙內遷移。隨著遷移的進行，縫隙內氯離子濃度逐漸升高，越接近縫隙底部濃度越高。縫隙內氯離子濃度增加的同時，會使溶液的pH值降低，增加了不銹鋼換熱管應力腐蝕開裂的風險。
在高溫環境(jing)中，少量的氯離子就能引起奧氏體不銹鋼(gang)應力腐(fu)蝕。試驗表(biao)明(ming)，溫度在94~268℃時，CI-濃度大于11mg/kg時，應力腐蝕敏感性為高度。
五、分析(xi)結論
①. 通過對換熱(re)管(guan)的化學成分(fen)分(fen)析，說(shuo)明(ming)材料是0Cr18Ni10Ti,滿足GB/T13296-2007《鍋爐、熱(re)交換器用(yong)不銹鋼無縫鋼管(guan)》標準規定(ding)要(yao)求，鎳(nie)成分(fen)稍偏(pian)低(di)(di)，可能會降低(di)(di)耐(nai)蝕性能，但該(gai)換熱(re)管(guan)表面(mian)沒(mei)(mei)有發生均(jun)勻腐蝕，而只是個(ge)別區域出現了(le)裂(lie)紋，說(shuo)明(ming)鎳(nie)成分(fen)偏(pian)低(di)(di)和裂(lie)紋沒(mei)(mei)有直接(jie)關系。
②. 通過電子探針和(he)顯微鏡(jing)對裂(lie)紋(wen)的(de)觀察(cha)，可看出裂(lie)紋(wen)源(yuan)存在于換熱管的(de)外(wai)表面（點蝕），并(bing)平行于軸向和(he)管徑向發(fa)(fa)展(zhan)；裂(lie)紋(wen)的(de)一(yi)個（或多個）分支在沿徑向發(fa)(fa)展(zhan)時遇到材料基體中的(de)缺陷(xian)，加劇了腐蝕的(de)程度，繼續向前(qian)發(fa)(fa)展(zhan)成(cheng)為(wei)穿透性裂(lie)紋(wen)，引(yin)起管內(nei)介質(zhi)泄漏(lou)。兩種觀測方法的(de)結果都顯示，裂(lie)紋(wen)具有典型的(de)應力腐蝕形貌。
③. 電子探針(zhen)的掃(sao)描結果顯示，裂紋縫隙的腐蝕產(chan)物中含(han)氯、硫和氧元素，表明殼(ke)程廢鍋水(shui)中含(han)有(you)氯離子,為(wei)換(huan)熱管的應力(li)腐蝕創造(zao)了腐蝕介(jie)質環境。
④. 管束內壁黑色附著物(wu)中的(de)(de)S元素含量較高，來源于原(yuan)料煤；鐵和鎳是水煤氣介質(zhi)腐(fu)蝕設備形成的(de)(de)。這種換熱管的(de)(de)失(shi)效與管內的(de)(de)介質(zhi)無(wu)關(guan)。
⑤. 在使用(yong)脹接力(li)計算式（7-2)時注意兩(liang)點：
a. 不用考慮尺寸偏差(cha)。
b. 使用材料實測屈服應力值。Pmin是使換熱管和管板開始產生殘余應力的最小脹接力，因此為保證密封性，實際脹接力在Pmin和Pmax平均值上下較好。
根據換熱(re)管(guan)(guan)和管(guan)(guan)板(ban)材料性(xing)質確(que)定不準(zhun)確(que)或尺寸偏差較(jiao)大的換熱(re)器，建議先(xian)進(jin)行脹(zhang)接工藝試驗，以獲得脹(zhang)接的可靠性(xing)。為(wei)了降低脹(zhang)接成本，應選(xuan)用(yong)尺寸精度等(deng)級較(jiao)高的換熱(re)管(guan)(guan)，盡量減小(xiao)管(guan)(guan)子和管(guan)(guan)板(ban)之間的間隙。
⑥. 有限元(yuan)模擬和(he)理論計算結(jie)果都顯示，142MPa的(de)脹接力不能滿足換熱(re)管(guan)(guan)和(he)管(guan)(guan)板密封要(yao)求(qiu)。
通過以上分析，可以判定設備泄漏的原因是換熱管和管板之間存在縫隙，殼程介質中含有氯離子，氯離子在縫隙內富集引起不銹鋼換熱管應力腐蝕開裂。
六、建議(yi)
①. 應嚴格控制(zhi)耐(nai)壓試驗(yan)用水(shui)(shui)和生產用水(shui)(shui)中氯離子和硫的(de)含量，定期檢(jian)測(ce)廢(fei)熱鍋爐的(de)進水(shui)(shui)和排污水(shui)(shui)中氯離子和硫的(de)含量。
②. 盡量減少停車(che)。裝置停車(che)時，要(yao)排(pai)凈鍋(guo)爐水，保證設備處在干燥狀態。避免出現干濕交替狀態。
③. 設備(bei)在進行修復時或(huo)制造下一(yi)臺設備(bei)時，適(shi)當增(zeng)加脹接力(li)，保證貼脹質量，消除間隙(xi)。
④. 對于新造廢熱鍋爐，建議將現用的321不銹鋼更換為2205雙(shuang)相不(bu)銹鋼。該類型不銹鋼比18-8型不銹鋼有更強的耐少量氯化物應力腐蝕的能力。
⑤. 建議修復方案：對新投用廢鍋的管(guan)子-管(guan)板連接處進(jin)行(xing)補脹；對已泄漏廢鍋的管(guan)子-管(guan)板連接處進(jin)行(xing)鉆取管(guan)束(shu)，然后將(jiang)管(guan)束(shu)前移，重新焊脹。
