浙江(jiang)至(zhi)德鋼業有限公司以(yi)水煤氣廢(fei)熱(re)鍋爐在香蕉視頻app下載蘋果版:不銹鋼換熱管和(he)(he)(he)管(guan)(guan)(guan)板連接(jie)處(chu)的(de)失(shi)效分析為例(li)，說(shuo)明失(shi)效分析的(de)過程和(he)(he)(he)意義。管(guan)(guan)(guan)殼式換(huan)熱(re)器廣泛(fan)應用(yong)于化工、石油、醫(yi)藥和(he)(he)(he)核行業。管(guan)(guan)(guan)板和(he)(he)(he)換(huan)熱(re)管(guan)(guan)(guan)連接(jie)處(chu)是(shi)一(yi)個(ge)關鍵部位(wei)，它們之(zhi)間的(de)連接(jie)一(yi)般采用(yong)焊接(jie)、脹接(jie)或者(zhe)兩(liang)者(zhe)結合的(de)方法。從文獻報道和(he)(he)(he)實際使用(yong)情況來看，管(guan)(guan)(guan)子(zi)和(he)(he)(he)管(guan)(guan)(guan)板連接(jie)處(chu)的(de)腐蝕是(shi)引(yin)起換(huan)熱(re)器失(shi)效的(de)主要原因(yin)。因(yin)此，常采用(yong)奧氏體香蕉視頻app下載蘋果版:不銹鋼管子(zi)預防(fang)腐蝕的發(fa)生(sheng)。然而，在特定的介質和(he)一定的拉(la)應力下，奧氏體不銹鋼會(hui)發(fa)生(sheng)香蕉視頻app下載蘋果版:應力腐蝕開裂。拉應(ying)力(li)(li)來源于操作壓力(li)(li)、熱應(ying)力(li)(li)或者(zhe)制(zhi)造的殘(can)余應(ying)力(li)(li)。近(jin)年(nian)來，人們通過失效(xiao)案例分(fen)析，對(dui)脹接或焊接殘(can)余應(ying)力(li)(li)情況(kuang)進行了大量研究，并認(ren)為(wei)它們在應(ying)力(li)(li)腐(fu)蝕(shi)中起(qi)到了重要作用。一些換(huan)熱器失效(xiao)案例中，雖然介質中氯離子的濃度非常小，但是奧氏體(ti)不銹鋼管應(ying)力(li)(li)腐(fu)蝕(shi)還會(hui)發生。眾多分(fen)析認(ren)為(wei)，應(ying)力(li)(li)腐(fu)蝕(shi)的發生是由氯離子在縫隙(xi)中的富集(ji)引起(qi)的。
現(xian)當介質中氯(lv)離(li)子濃度(du)(du)僅有5.8mg/kg時，縫(feng)隙(xi)處的濃度(du)(du)值可高達2410mg/kg.但管子的應力腐蝕和縫(feng)隙(xi)腐蝕仍不能避免(mian)。目前(qian)，對(dui)于脹接之后還存(cun)在(zai)(zai)縫(feng)隙(xi)的原(yuan)因(yin)不清楚，因(yin)此，這個問題將在(zai)(zai)本章(zhang)中進行(xing)重點討論。
一(yi)、失效案(an)例介紹
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(she)備(bei)在使(shi)用兩年左右后(hou)，發(fa)現(xian)(xian)出口蒸汽中一氧化(hua)碳含量明顯(xian)增高，判斷水煤氣出現(xian)(xian)泄(xie)漏(lou)。設(she)備(bei)停(ting)車檢修時(shi)(shi)，并未發(fa)現(xian)(xian)宏觀(guan)缺(que)陷。但水壓(ya)試(shi)驗時(shi)(shi)，發(fa)現(xian)(xian)管(guan)板堆焊層11處漏(lou)點(dian)(dian)；后(hou)經堵(du)漏(lou)處理(li)，漏(lou)點(dian)(dian)反而增加(jia)到20多處。第二(er)次水壓(ya)試(shi)驗時(shi)(shi)，又(you)出現(xian)(xian)新的漏(lou)點(dian)(dian)，同時(shi)(shi)，在管(guan)子內壁發(fa)現(xian)(xian)一些黑(hei)色附著物(wu)，泄(xie)漏(lou)點(dian)(dian)位置和管(guan)內附著物(wu)如(ru)圖7-1所示。
二(er)、失效分析過程和結果
1. 現場(chang)勘查
首(shou)先對(dui)不銹鋼管(guan)(guan)板進行(xing)著色探(tan)傷(shang)，未發現裂(lie)(lie)(lie)紋，如圖(tu)7-2(a)所示。其(qi)次，對(dui)筒體進行(xing)了檢查(cha)，未發現裂(lie)(lie)(lie)紋、腐蝕等現象，如圖(tu)7-2(b)所示。經(jing)仔細觀察，泄漏水珠是(shi)從(cong)換熱管(guan)(guan)內流出的，因此(ci)，基本(ben)可(ke)以確定裂(lie)(lie)(lie)紋出現在換熱管(guan)(guan)上。經(jing)滲透(tou)檢測(ce)和打磨(mo)，開始在管(guan)(guan)內壁(bi)未發現裂(lie)(lie)(lie)紋，但(dan)經(jing)過滲透(tou)和打磨(mo)之后，出現樹枝狀裂(lie)(lie)(lie)紋；隨著打磨(mo)的進行(xing)，裂(lie)(lie)(lie)紋越來越清晰，并且(qie)裂(lie)(lie)(lie)紋寬度(du)由管(guan)(guan)內向外逐(zhu)漸(jian)增加，如圖(tu)7-2(c)所示。因此(ci)，可(ke)以初步判斷裂(lie)(lie)(lie)紋起源于管(guan)(guan)外壁(bi)，向內部擴展。
2. 現場(chang)取樣
分別取含有漏點(dian)的(de)一段進氣(qi)管(guan)以及(ji)對應的(de)出氣(qi)管(guan)，同(tong)時(shi)收集了管(guan)束內壁附著物，如圖7-3所(suo)示。
3. 換熱管材料分析(xi)
采用(yong)光譜儀對(dui)失效換(huan)(huan)熱管(guan)(guan)材料(liao)化學成分(fen)進行了檢測(ce)分(fen)析，表明(ming)換(huan)(huan)熱管(guan)(guan)材料(liao)化學成分(fen)基本符合(he)GB 13296-2007《鍋爐、熱交換(huan)(huan)器(qi)用(yong)不銹鋼無縫(feng)鋼管(guan)(guan)》標準中對(dui)321不銹鋼的成分(fen)要求，結果見表7-3.
4. 裂(lie)紋檢查
如(ru)圖7-4所示，把兩取(qu)(qu)樣(yang)管(guan)打磨后，在(zai)進氣(qi)管(guan)外壁(bi)1、2區(qu)域內用肉眼(yan)可(ke)以觀(guan)察(cha)(cha)到微小裂(lie)紋，同時(shi)還發現在(zai)較粗裂(lie)紋處(chu)有一些(xie)小凹坑。在(zai)取(qu)(qu)樣(yang)區(qu)1取(qu)(qu)試(shi)(shi)(shi)樣(yang)1。觀(guan)測(ce)取(qu)(qu)樣(yang)管(guan)橫(heng)截(jie)面(mian)(mian)的裂(lie)紋和(he)金相組織(zhi)(zhi)(zhi)；在(zai)取(qu)(qu)樣(yang)區(qu)2取(qu)(qu)試(shi)(shi)(shi)樣(yang)2,用以觀(guan)察(cha)(cha)取(qu)(qu)樣(yang)管(guan)表面(mian)(mian)裂(lie)紋、裂(lie)紋內腐蝕產物化學(xue)成分和(he)金相組織(zhi)(zhi)(zhi)；在(zai)取(qu)(qu)樣(yang)區(qu)3取(qu)(qu)試(shi)(shi)(shi)樣(yang)3,用以觀(guan)測(ce)取(qu)(qu)樣(yang)管(guan)縱截(jie)面(mian)(mian)的裂(lie)紋和(he)金相組織(zhi)(zhi)(zhi)。同時(shi)，在(zai)出氣(qi)管(guan)的取(qu)(qu)樣(yang)區(qu)4、5取(qu)(qu)試(shi)(shi)(shi)樣(yang)4和(he)試(shi)(shi)(shi)樣(yang)5,分別觀(guan)測(ce)橫(heng)、縱截(jie)面(mian)(mian)裂(lie)紋和(he)金相組織(zhi)(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(bu)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。
試樣2: 顯微(wei)鏡(jing)下觀察到(dao)(dao)換熱管表(biao)面裂(lie)紋平行于軸向(xiang)擴展(zhan)，有主(zhu)干(gan)和分(fen)支之分(fen)，為明顯的(de)穿晶(jing)型裂(lie)紋。金相組織為單相奧氏體，有孿晶(jing)分(fen)布(bu)，晶(jing)粒較均(jun)勻(yun)，符合321不銹鋼固(gu)溶處理的(de)組織要求。同(tong)時，也觀察到(dao)(dao)一些顆粒較大的(de)夾雜物，如圖7-7所示。
試(shi)(shi)(shi)樣(yang)3~5: 顯(xian)微(wei)鏡下，試(shi)(shi)(shi)樣(yang)3(進氣管縱截面(mian)）以及試(shi)(shi)(shi)樣(yang)4、5(出氣管縱、橫截面(mian)）均(jun)未發(fa)現裂紋。金相組織為單相奧氏體(ti)，有孿晶分(fen)布，晶粒較均(jun)勻，符合321不銹鋼(gang)固溶處(chu)理的組織要求(qiu)，如圖(tu)7-8和圖(tu)7-9。在(zai)試(shi)(shi)(shi)樣(yang)3顯(xian)微(wei)組織中(zhong)發(fa)現有TiN夾雜物，但量很少(shao)，屬正常現象。
5. 裂紋(wen)縫隙內雜(za)質(zhi)成分(fen)分(fen)析
為(wei)了分(fen)(fen)析裂(lie)紋(wen)縫隙內(nei)腐蝕產物(wu)(wu)的(de)化學(xue)成分(fen)(fen)，取試樣2外壁裂(lie)紋(wen)區(qu)域進(jin)行(xing)了電子探針檢測(ce)(ce)。掃描區(qu)域的(de)顯微(wei)形貌見(jian)圖7-10(a),裂(lie)紋(wen)有(you)主次之分(fen)(fen)，并(bing)平(ping)行(xing)于軸向(xiang)發展。掃描波譜結果見(jian)圖7-10(b),表7-4列出了裂(lie)紋(wen)內(nei)腐蝕產物(wu)(wu)部分(fen)(fen)成分(fen)(fen)的(de)半定(ding)量(liang)分(fen)(fen)析結果。在檢測(ce)(ce)中發現(xian)，腐蝕產物(wu)(wu)的(de)主要金屬成分(fen)(fen)為(wei)鐵和鉻,非(fei)金屬元(yuan)素為(wei)氯、硫(liu)(liu)和氧，在波譜上能看到明顯的(de)Cl峰(feng)和S峰(feng)，說明該廢鍋的(de)運行(xing)環境中殼程介(jie)質含有(you)的(de)氯、硫(liu)(liu)可能是(shi)介(jie)質中的(de)也可能是(shi)材(cai)質本身(shen)的(de)。
6. 管壁附(fu)著物(wu)的化學成分(fen)分(fen)析
為了確定換熱(re)管(guan)內(nei)壁黑色附(fu)著物的成分(fen)，在附(fu)著物較厚處(chu)取下(xia)一些樣(yang)品。為全面分(fen)析(xi)附(fu)著物的化學成分(fen)，采用電感耦合等離子(zi)(zi)體(ti)－發射光譜(pu)法檢測金屬元(yuan)(yuan)素、元(yuan)(yuan)素分(fen)析(xi)法檢測碳和硫(liu)元(yuan)(yuan)素、離子(zi)(zi)色譜(pu)法檢測氯(lv)(lv)元(yuan)(yuan)素。檢測結(jie)果顯示(shi)，主要金屬元(yuan)(yuan)素是鐵,質量分(fen)數為30%,另外還有少量的鎳(nie)、砷、氯(lv)(lv)等；非金屬硫(liu)元(yuan)(yuan)素的含(han)量非常高(gao)，達(da)到34%,當硫(liu)元(yuan)(yuan)素以濕硫(liu)化氫存在時(shi)，也會(hui)引起奧氏(shi)體(ti)不銹鋼應力腐(fu)蝕。
7. 廢(fei)熱鍋爐進(jin)出水水質分析
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(lv)離子(zi)含量未進行檢測；水煤氣冷凝液中氯(lv)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(lv)離子元素含量較少，說明在生產中鍋爐用水軟化處理的質量較高。
通過(guo)以(yi)(yi)上綜合分析可以(yi)(yi)判斷，不銹(xiu)鋼管(guan)(guan)(guan)子的裂紋是由應力腐蝕引起的。管(guan)(guan)(guan)子脹接(jie)后會(hui)產(chan)生殘余(yu)應力，管(guan)(guan)(guan)板和管(guan)(guan)(guan)子焊(han)接(jie)后也會(hui)產(chan)生殘余(yu)應力。很多文獻(xian)已經證明脹接(jie)和焊(han)接(jie)殘余(yu)應力的存(cun)在(zai)(zai)。在(zai)(zai)設備檢修時(shi)，換熱管(guan)(guan)(guan)貼脹部位的管(guan)(guan)(guan)子在(zai)(zai)去除強度焊(han)焊(han)縫后很容易從(cong)管(guan)(guan)(guan)板中取出(chu)，說明管(guan)(guan)(guan)子與管(guan)(guan)(guan)板之間存(cun)在(zai)(zai)微(wei)小的縫隙。介質中微(wei)量的氯離子可以(yi)(yi)在(zai)(zai)縫隙內濃(nong)(nong)縮，使其濃(nong)(nong)度升高。
三、最小脹(zhang)緊壓力計算
管(guan)(guan)子和管(guan)(guan)板之間(jian)貼(tie)脹(zhang)是(shi)否(fou)緊(jin)密主要取(qu)決于脹(zhang)接壓(ya)(ya)力的(de)大(da)小。貼(tie)脹(zhang)壓(ya)(ya)力過(guo)小，換(huan)熱(re)管(guan)(guan)和管(guan)(guan)板孔(kong)間(jian)會存在縫(feng)隙；脹(zhang)接壓(ya)(ya)力過(guo)大(da)，管(guan)(guan)板和管(guan)(guan)子之間(jian)產(chan)生較(jiao)大(da)的(de)接觸應(ying)力，使管(guan)(guan)外(wai)壁因受管(guan)(guan)板孔(kong)的(de)擠壓(ya)(ya)而(er)產(chan)生額外(wai)的(de)應(ying)力。因此，有必要對貼(tie)脹(zhang)的(de)最小壓(ya)(ya)力進行討論。下面通過(guo)理(li)論計算(suan)和有限元數(shu)值模擬(ni)來分析本失效(xiao)案例中所需的(de)最小貼(tie)脹(zhang)壓(ya)(ya)力。
1. 換熱管(guan)力學(xue)性能(neng)測試
為獲得準確(que)的換熱管材(cai)(cai)(cai)(cai)料(liao)(liao)特性，特從廢熱鍋爐制造廠家(jia)獲取管材(cai)(cai)(cai)(cai)，采用萬能拉(la)伸(shen)試(shi)(shi)(shi)驗(yan)設備進(jin)行(xing)材(cai)(cai)(cai)(cai)料(liao)(liao)的拉(la)伸(shen)試(shi)(shi)(shi)驗(yan)。材(cai)(cai)(cai)(cai)料(liao)(liao)試(shi)(shi)(shi)樣(yang)的制造及拉(la)伸(shen)試(shi)(shi)(shi)驗(yan)過程(cheng)按照GB/T228.1-2010《金(jin)屬材(cai)(cai)(cai)(cai)料(liao)(liao)拉(la)伸(shen)試(shi)(shi)(shi)驗(yan)第(di)1部(bu)分(fen)；室溫試(shi)(shi)(shi)驗(yan)方法》標準進(jin)行(xing)試(shi)(shi)(shi)驗(yan)。試(shi)(shi)(shi)樣(yang)圖紙以及加工試(shi)(shi)(shi)樣(yang)如圖7-11所(suo)示(shi)，拉(la)伸(shen)試(shi)(shi)(shi)驗(yan)的應力－應變曲線如圖7-12所(suo)示(shi)。
2. 脹接力的理論計算
液壓脹接(jie)(jie)(jie)是(shi)一(yi)種柔性(xing)脹接(jie)(jie)(jie)技術(shu)，壓力均(jun)勻地作用于不銹鋼管(guan)子(zi)內壁，管(guan)子(zi)的(de)變形在幾秒鐘內完成。由于管(guan)子(zi)沒有受(shou)到反(fan)復碾壓，這(zhe)種脹接(jie)(jie)(jie)過程(cheng)難以達到對管(guan)子(zi)與(yu)管(guan)板(ban)之問粗(cu)糙(cao)表而的(de)“填平”效(xiao)果。為(wei)保證脹接(jie)(jie)(jie)質(zhi)量，管(guan)板(ban)孔的(de)加工粗(cu)糙(cao)度(du)應控(kong)制(zhi)在Ra6.3μm以內。
根據液(ye)壓脹管機(ji)廠(chang)家提供的資(zi)料，可按下列方法計算(suan)脹接力(li)：
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(zhi)造(zao)中，管(guan)(guan)(guan)(guan)板(ban)(ban)孔(kong)(kong)徑(jing)D和(he)(he)換(huan)(huan)熱(re)(re)管(guan)(guan)(guan)(guan)的(de)(de)(de)壁(bi)厚(hou)都允(yun)(yun)許存(cun)在(zai)偏(pian)(pian)(pian)差(cha)(cha)。根據(ju)換(huan)(huan)熱(re)(re)器制(zhi)造(zao)相(xiang)關標(biao)(biao)準的(de)(de)(de)規定，一級(ji)(ji)管(guan)(guan)(guan)(guan)束管(guan)(guan)(guan)(guan)板(ban)(ban)孔(kong)(kong)直(zhi)徑(jing)是625.25mm時(shi)，允(yun)(yun)許偏(pian)(pian)(pian)差(cha)(cha)為(wei)(wei)(wei)0~+0.15.根據(ju)GB/T 17395-2008《無縫鋼管(guan)(guan)(guan)(guan)尺寸(cun)(cun)、外形、重量及(ji)允(yun)(yun)許偏(pian)(pian)(pian)差(cha)(cha)》標(biao)(biao)準的(de)(de)(de)規定、管(guan)(guan)(guan)(guan)子(zi)外徑(jing)偏(pian)(pian)(pian)差(cha)(cha)分為(wei)(wei)(wei)標(biao)(biao)準化外徑(jing)允(yun)(yun)許偏(pian)(pian)(pian)差(cha)(cha)四級(ji)(ji)和(he)(he)非(fei)標(biao)(biao)準化外徑(jing)允(yun)(yun)許偏(pian)(pian)(pian)差(cha)(cha)四級(ji)(ji)。根據(ju)管(guan)(guan)(guan)(guan)孔(kong)(kong)公差(cha)(cha)，能與管(guan)(guan)(guan)(guan)板(ban)(ban)孔(kong)(kong)配合的(de)(de)(de)管(guan)(guan)(guan)(guan)子(zi)公差(cha)(cha)范(fan)圍為(wei)(wei)(wei)D4級(ji)(ji)士0.10、ND4級(ji)(ji)士0.20兩(liang)種。由于(yu)管(guan)(guan)(guan)(guan)板(ban)(ban)孔(kong)(kong)直(zhi)徑(jing)和(he)(he)換(huan)(huan)熱(re)(re)管(guan)(guan)(guan)(guan)外徑(jing)和(he)(he)壁(bi)厚(hou)制(zhi)造(zao)尺寸(cun)(cun)偏(pian)(pian)(pian)差(cha)(cha)的(de)(de)(de)存(cun)在(zai)，會影響(xiang)換(huan)(huan)熱(re)(re)管(guan)(guan)(guan)(guan)和(he)(he)管(guan)(guan)(guan)(guan)板(ban)(ban)孔(kong)(kong)之間(jian)(jian)空隙(xi)的(de)(de)(de)大(da)小。在(zai)不考慮(lv)偏(pian)(pian)(pian)差(cha)(cha)時(shi)，換(huan)(huan)熱(re)(re)管(guan)(guan)(guan)(guan)和(he)(he)管(guan)(guan)(guan)(guan)板(ban)(ban)孔(kong)(kong)之間(jian)(jian)間(jian)(jian)隙(xi)為(wei)(wei)(wei)Δr=0.125mm;考慮(lv)偏(pian)(pian)(pian)差(cha)(cha)時(shi)，即對D4級(ji)(ji)管(guan)(guan)(guan)(guan)子(zi)和(he)(he)管(guan)(guan)(guan)(guan)板(ban)(ban)孔(kong)(kong)配合的(de)(de)(de)最大(da)間(jian)(jian)隙(xi)為(wei)(wei)(wei)Δrmax=0.250mm,最小間(jian)(jian)隙(xi)為(wei)(wei)(wei)Δrmin=0.075mm;對ND4級(ji)(ji)管(guan)(guan)(guan)(guan)子(zi)和(he)(he)管(guan)(guan)(guan)(guan)板(ban)(ban)孔(kong)(kong)配合的(de)(de)(de)最大(da)間(jian)(jian)隙(xi)為(wei)(wei)(wei)Δrmax=0.300mm,最小間(jian)(jian)隙(xi)為(wei)(wei)(wei)Δrmin=0.025mm.根據(ju)GB/T 17395-2008《無縫鋼管(guan)(guan)(guan)(guan)尺寸(cun)(cun)、外形、重量及(ji)允(yun)(yun)許偏(pian)(pian)(pian)差(cha)(cha)》標(biao)(biao)準的(de)(de)(de)規定，管(guan)(guan)(guan)(guan)子(zi)壁(bi)厚(hou)偏(pian)(pian)(pian)差(cha)(cha)分為(wei)(wei)(wei)標(biao)(biao)準化壁(bi)厚(hou)允(yun)(yun)許偏(pian)(pian)(pian)差(cha)(cha)九級(ji)(ji)（含亞級(ji)(ji)）和(he)(he)非(fei)標(biao)(biao)準化壁(bi)厚(hou)允(yun)(yun)許偏(pian)(pian)(pian)差(cha)(cha)四級(ji)(ji)。按換(huan)(huan)熱(re)(re)管(guan)(guan)(guan)(guan)強度要求，可供選擇的(de)(de)(de)換(huan)(huan)熱(re)(re)管(guan)(guan)(guan)(guan)壁(bi)厚(hou)偏(pian)(pian)(pian)差(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7-7列出(chu)了(le)兩(liang)種公差(cha)(cha)配合下，NS3級(ji)(ji)－0.20~+0.25的(de)(de)(de)壁(bi)厚(hou)偏(pian)(pian)(pian)差(cha)(cha)下，根據(ju)式（7-2)計(ji)算出(chu)的(de)(de)(de)脹接力Pmin的(de)(de)(de)數值。
從表7-7來看，Δr=0.125mm時，ReLt＝205MPa 計算出的脹(zhang)接(jie)(jie)力為142MPa，ReLt＝292MPa時的脹(zhang)接(jie)(jie)力為202MPa,兩者差距較大(da)。在(zai)(zai)脹(zhang)接(jie)(jie)件(jian)的尺寸確定的條件(jian)下，脹(zhang)接(jie)(jie)力Pmin，隨(sui)屈服強度的增加而(er)增大(da)；在(zai)(zai)同一屈服強度下，脹(zhang)接(jie)(jie)力隨(sui)著管板之間空隙的減小而(er)增大(da)，這(zhe)顯(xian)然是與實際(ji)情況不(bu)符的。這(zhe)說明(ming)武（7-2)沒有考慮(lv)脹(zhang)接(jie)(jie)件(jian)的尺寸偏差，因(yin)此在(zai)(zai)使用式（7-2)時不(bu)能把尺寸偏差帶入其(qi)中(zhong)。
不考(kao)慮尺寸(cun)偏差，管板(ban)的Rep=370MPa時(shi)，換熱管不同屈服強(qiang)度(du)下(xia)根據式（7-3)計算出的最大脹接力P max見表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。
脹接(jie)(jie)件(jian)的(de)(de)(de)加(jia)工尺(chi)(chi)寸偏差(cha)除了(le)影響脹接(jie)(jie)力(li)的(de)(de)(de)大(da)小(xiao)，還直接(jie)(jie)影響液袋式(shi)液壓(ya)脹管(guan)(guan)成本。在超(chao)高(gao)壓(ya)的(de)(de)(de)脹接(jie)(jie)壓(ya)力(li)作用(yong)下，管(guan)(guan)子向(xiang)外膨脹，間隙(xi)(xi)越(yue)大(da)，管(guan)(guan)子的(de)(de)(de)形變越(yue)大(da)，因(yin)而液袋脹頭(tou)與(yu)管(guan)(guan)子內壁之間的(de)(de)(de)間隙(xi)(xi)將隨著尺(chi)(chi)寸偏差(cha)加(jia)大(da)而增大(da)。液袋在超(chao)高(gao)壓(ya)作用(yong)下，具有向(xiang)間隙(xi)(xi)中流動的(de)(de)(de)趨勢，使液袋受(shou)到損傷(shang)(shang)。在同樣的(de)(de)(de)脹接(jie)(jie)壓(ya)力(li)下，脹頭(tou)頭(tou)部的(de)(de)(de)尺(chi)(chi)寸與(yu)管(guan)(guan)子變形后的(de)(de)(de)間隙(xi)(xi)越(yue)大(da)，液袋越(yue)易損壞，這種損傷(shang)(shang)隨著間隙(xi)(xi)的(de)(de)(de)增大(da)成幾何級數加(jia)劇。
3. 脹接壓力有限元分析
為了解(jie)在多(duo)大(da)的(de)(de)(de)脹(zhang)接(jie)(jie)力(li)下換(huan)熱管(guan)和(he)(he)管(guan)板(ban)能有(you)效(xiao)貼合，現對(dui)換(huan)熱管(guan)-管(guan)板(ban)焊(han)脹(zhang)連接(jie)(jie)處進行(xing)有(you)限元分(fen)析。根據脹(zhang)管(guan)和(he)(he)管(guan)板(ban)的(de)(de)(de)實際尺寸建(jian)立模型圖，施加不同(tong)的(de)(de)(de)脹(zhang)接(jie)(jie)力(li)，觀察(cha)脹(zhang)接(jie)(jie)效(xiao)果。在分(fen)析時，考慮7.3.2節(jie)分(fen)析的(de)(de)(de)制造尺寸偏差情況(kuang)和(he)(he)材料的(de)(de)(de)力(li)學性能對(dui)脹(zhang)接(jie)(jie)力(li)的(de)(de)(de)影(ying)響。
A. 基(ji)本參數
換(huan)熱管(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)的(de)(de)規(gui)格為(wei)(wei)(wei)Φ25mm×2mm,換(huan)熱管(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)在(zai)管(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)板(ban)上以(yi)等邊三角形的(de)(de)形狀排列，孔(kong)中心(xin)距(ju)為(wei)(wei)(wei)32mm,管(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)板(ban)孔(kong)徑為(wei)(wei)(wei)25.25mm+0.15mm.換(huan)熱管(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)和管(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)板(ban)的(de)(de)連接方(fang)式采用強(qiang)度焊＋液壓脹(zhang)(zhang)，脹(zhang)(zhang)接力(li)為(wei)(wei)(wei)142MPa.管(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)程工作(zuo)壓力(li)為(wei)(wei)(wei)6.28MPa;換(huan)熱管(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)的(de)(de)一端伸出堆焊層的(de)(de)長度為(wei)(wei)(wei)2.5mm,脹(zhang)(zhang)接從(cong)距(ju)離(li)換(huan)熱管(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)口17.5mm處(chu)開始(shi)脹(zhang)(zhang)接部分(fen)共長268mm,管(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)板(ban)與換(huan)熱管(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)連接的(de)(de)結構圖(tu)如圖(tu)7-13所示(shi)，根據實(shi)際結構尺寸簡畫(hua)出的(de)(de)幾何圖(tu)如圖(tu)7-14所示(shi)。
B. 有限元模(mo)型
總體坐標采用柱坐標系(xi)，以(yi)換熱(re)管軸線為Z軸，徑向為R,建立二維模(mo)型(xing)。管板和換熱管均采用軸對稱 plane182單元，TARGE169目標(biao)面單元和CONTA172接(jie)(jie)觸面單元建(jian)立換熱管(guan)與管(guan)板間的柔性面－面接(jie)(jie)觸對，網格采用(yong)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。
采用貼脹(zhang)時，換熱(re)管(guan)在(zai)脹(zhang)接(jie)(jie)過程中會發生微(wei)小(xiao)的(de)(de)(de)塑性(xing)(xing)(xing)形(xing)變(bian)(bian)，管(guan)板只產生彈性(xing)(xing)(xing)形(xing)變(bian)(bian)。因此，在(zai)ANSYS分析過程中，采用塑性(xing)(xing)(xing)模(mo)型(xing)中隨動(dong)強(qiang)化Mises率不(bu)相關(guan)的(de)(de)(de)多線(xian)(xian)性(xing)(xing)(xing)模(mo)型(xing)作為換熱(re)管(guan)的(de)(de)(de)材(cai)料本(ben)構關(guan)系模(mo)型(xing)，數(shu)據(ju)取自321不(bu)銹(xiu)鋼實測應力-應變(bian)(bian)曲線(xian)(xian)；管(guan)板采用各(ge)向(xiang)同(tong)性(xing)(xing)(xing)的(de)(de)(de)彈性(xing)(xing)(xing)模(mo)型(xing)。脹(zhang)接(jie)(jie)過程是在(zai)換熱(re)管(guan)的(de)(de)(de)內表面(mian)施加不(bu)同(tong)的(de)(de)(de)壓力值，使傳(chuan)熱(re)管(guan)發生塑性(xing)(xing)(xing)變(bian)(bian)形(xing)而管(guan)板發生彈性(xing)(xing)(xing)變(bian)(bian)形(xing)，卸掉載荷后管(guan)板緊(jin)緊(jin)地壓緊(jin)傳(chuan)熱(re)管(guan)，達到連接(jie)(jie)的(de)(de)(de)目的(de)(de)(de)。根據(ju)模(mo)型(xing)的(de)(de)(de)對稱性(xing)(xing)(xing)，管(guan)板的(de)(de)(de)表面(mian)是固定不(bu)動(dong)的(de)(de)(de)，在(zai)模(mo)型(xing)中設置為完全約束(shu)。換熱(re)管(guan)在(zai)脹(zhang)接(jie)(jie)的(de)(de)(de)過程中軸是沒有位(wei)移的(de)(de)(de)，所以(yi)在(zai)傳(chuan)熱(re)管(guan)的(de)(de)(de)軸向(xiang)設定約束(shu)。
C. 脹接過程模擬
通過載(zai)(zai)荷(he)增(zeng)量法將脹(zhang)接(jie)(jie)(jie)壓(ya)力(li)(li)施加到管子內(nei)表面施脹(zhang)部位的(de)單(dan)元(yuan)上，并分(fen)三個階段(duan)(duan)(duan)模擬(ni)脹(zhang)接(jie)(jie)(jie)過程：第(di)一階段(duan)(duan)(duan)為脹(zhang)接(jie)(jie)(jie)壓(ya)力(li)(li)由(you)(you)零增(zeng)加至(zhi)規(gui)定的(de)壓(ya)力(li)(li)，即(ji)脹(zhang)接(jie)(jie)(jie)壓(ya)力(li)(li)加載(zai)(zai)段(duan)(duan)(duan)；第(di)二階段(duan)(duan)(duan)為脹(zhang)接(jie)(jie)(jie)力(li)(li)停留一段(duan)(duan)(duan)時間；第(di)三階段(duan)(duan)(duan)為脹(zhang)接(jie)(jie)(jie)壓(ya)力(li)(li)由(you)(you)規(gui)定值(zhi)減少(shao)至(zhi)零，即(ji)脹(zhang)接(jie)(jie)(jie)壓(ya)力(li)(li)卸載(zai)(zai)段(duan)(duan)(duan)。考慮到接(jie)(jie)(jie)觸和材料非線性的(de)計(ji)算收斂速度(du)和計(ji)算精度(du)，每(mei)(mei)個階段(duan)(duan)(duan)劃分(fen)為幾個載(zai)(zai)荷(he)步，每(mei)(mei)個載(zai)(zai)荷(he)步中增(zeng)加若干個子載(zai)(zai)荷(he)步。為提(ti)高求解(jie)過程的(de)收斂速度(du)。使(shi)用(yong)完全的(de)Newton-Raphson迭代，以(yi)保證每(mei)(mei)次平衡迭代使(shi)用(yong)正切(qie)剛度(du)矩陣，使(shi)用(yong)線性搜索使(shi)計(ji)算穩定化。整個脹(zhang)接(jie)(jie)(jie)過程所用(yong)時間為2~3s.
D. 模擬結果及分析
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(chi)寸偏差、間(jian)(jian)隙Δr=0.125mm時，換(huan)熱(re)(re)管(guan)的規格為Φ25mm×2mm,管(guan)板(ban)孔徑為25.25mm,模型如圖7-15所示。分(fen)析時，選取脹管(guan)中間(jian)(jian)位置(zhi)換(huan)熱(re)(re)管(guan)外壁的單元A進(jin)行有(you)限(xian)元分(fen)析，位置(zhi)如圖 7-16。
分別施加100MPa、142MPa、180MPa、210MPa、240MPa等(deng)的脹(zhang)接力，經過多次計算(suan)發現，在230MPa時單(dan)元(yuan)A沿R方向的絕對位移量u=0.125005，如圖7-17所示。表明(ming)此時換熱管(guan)和管(guan)板(ban)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。
從模擬結果看出，間隙(xi)(xi)越(yue)大(da)，需要(yao)的脹(zhang)接力(li)越(yue)大(da)，0.05~0.325mm的間隙(xi)(xi)在(zai)142MPa的脹(zhang)接力(li)下不能保證換熱管(guan)和管(guan)板(ban)之間緊密貼合。
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。
結果(guo)表明(ming)，換熱管屈服強度大(da)時所需的脹接力也大(da)。模(mo)擬的結果(guo)與(yu)式（7-2)計(ji)算結果(guo)比較：不(bu)考慮偏差時大(da)約相等；間隙(xi)大(da)時，模(mo)擬結果(guo)比計(ji)算結果(guo)大(da)；間隙(xi)小時，模(mo)擬結果(guo)比計(ji)算值(zhi)小。
E. 換熱管脹接后(hou)殘余應力
經過脹(zhang)接后換(huan)熱管發生(sheng)微小的塑性形變(bian)，管壁各處會存在殘(can)余(yu)脹(zhang)接應(ying)力(li)(li)，在管外壁取一(yi)單(dan)元分(fen)析(xi)其等(deng)效(xiao)(xiao)殘(can)余(yu)應(ying)力(li)(li)情(qing)況(kuang)，不同(tong)情(qing)況(kuang)下等(deng)效(xiao)(xiao)殘(can)余(yu)應(ying)力(li)(li)隨時間的變(bian)化結果如圖(tu)7-24所示(shi)。
分析(xi)發現(xian)、換熱管外壁的等效殘(can)余應力處在20~40MPa之(zhi)間。
四、分(fen)析結果討論
不銹鋼管子的應力(li)(li)腐蝕(shi)由(you)拉應力(li)(li)和腐蝕(shi)介質共同引(yin)起(qi)(qi)。裂紋起(qi)(qi)源(yuan)于管子外表面(mian)，并(bing)穿透(tou)壁面(mian)引(yin)起(qi)(qi)泄漏(lou)。通過公式(shi)計算和有限(xian)元分析發現(xian)，管子和管板所需的最小脹接壓力(li)(li)約為200MPa。在142MPa脹接壓力(li)(li)下，管子和管板之(zhi)間貼(tie)合不緊密，存在縫隙。一(yi)旦換熱管與換熱管孔之(zhi)間現(xian)間隙，就為氯離(li)子的富集創造了(le)條(tiao)件(jian)。
首先，攜帶微量氯離(li)子的高溫鍋爐進入縫隙，水(shui)在縫隙內變成蒸汽后排出(chu)。由于縫隙內流(liu)體緩慢，進入縫隙內的氯離(li)子因擴散(san)系數(shu)變小而(er)不易排出(chu)，特別是(shi)在近(jin)壁面(mian)，氯離(li)子擴散(san)系數(shu)很小，氯離(li)子將(jiang)在壁面(mian)沉積，如(ru)圖(tu)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(zai)高溫環(huan)境(jing)中，少量(liang)的氯離子就(jiu)能引起(qi)奧氏(shi)體不銹鋼應力腐蝕。試驗(yan)表明，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、分析結論
①. 通(tong)過(guo)對換熱管(guan)的(de)化學(xue)成(cheng)分分析，說(shuo)明材料(liao)是0Cr18Ni10Ti,滿足GB/T13296-2007《鍋爐、熱交(jiao)換器用不銹鋼無縫(feng)鋼管(guan)》標準(zhun)規(gui)定要求，鎳成(cheng)分稍偏低(di)，可能會降(jiang)低(di)耐(nai)蝕性能，但(dan)該換熱管(guan)表(biao)面沒有發生均勻腐蝕，而只是個別區域(yu)出現了裂紋，說(shuo)明鎳成(cheng)分偏低(di)和裂紋沒有直接關系(xi)。
②. 通過電子探針(zhen)和顯(xian)微鏡對裂(lie)紋(wen)(wen)的(de)(de)觀(guan)察，可看出裂(lie)紋(wen)(wen)源存在于換熱管的(de)(de)外表面(mian)（點蝕），并(bing)平(ping)行于軸向(xiang)(xiang)和管徑向(xiang)(xiang)發(fa)展(zhan)(zhan)；裂(lie)紋(wen)(wen)的(de)(de)一個（或多個）分(fen)支(zhi)在沿徑向(xiang)(xiang)發(fa)展(zhan)(zhan)時遇到材料基體中(zhong)的(de)(de)缺(que)陷，加(jia)劇了腐蝕的(de)(de)程度，繼續(xu)向(xiang)(xiang)前發(fa)展(zhan)(zhan)成為穿(chuan)透性(xing)裂(lie)紋(wen)(wen)，引起管內(nei)介(jie)質泄漏(lou)。兩種觀(guan)測方法的(de)(de)結果(guo)都顯(xian)示，裂(lie)紋(wen)(wen)具(ju)有典型(xing)的(de)(de)應力腐蝕形(xing)貌。
③. 電子探(tan)針的(de)掃(sao)描結果顯示，裂紋縫(feng)隙的(de)腐(fu)(fu)蝕(shi)產物中含(han)氯、硫和氧元素(su)，表明殼程廢鍋水(shui)中含(han)有(you)氯離(li)子,為換熱(re)管的(de)應(ying)力(li)腐(fu)(fu)蝕(shi)創(chuang)造了腐(fu)(fu)蝕(shi)介(jie)質環境(jing)。
④. 管(guan)(guan)束(shu)內壁黑色附(fu)著(zhu)物中的(de)S元(yuan)素(su)含量較高，來(lai)源于(yu)原料煤；鐵和鎳是(shi)水煤氣介(jie)(jie)質腐蝕(shi)設備形成的(de)。這(zhe)種(zhong)換熱管(guan)(guan)的(de)失效(xiao)與管(guan)(guan)內的(de)介(jie)(jie)質無關(guan)。
⑤. 在使用(yong)脹接(jie)力計算(suan)式（7-2)時注(zhu)意兩點：
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(huan)(huan)熱(re)管(guan)(guan)和(he)管(guan)(guan)板(ban)材(cai)料性質確定不準(zhun)確或尺寸(cun)偏差較大的(de)換(huan)(huan)熱(re)器，建議先進行脹(zhang)(zhang)接工藝試驗，以獲得脹(zhang)(zhang)接的(de)可靠性。為了降低脹(zhang)(zhang)接成本，應選用(yong)尺寸(cun)精(jing)度等級(ji)較高的(de)換(huan)(huan)熱(re)管(guan)(guan)，盡量減小管(guan)(guan)子和(he)管(guan)(guan)板(ban)之間(jian)的(de)間(jian)隙。
⑥. 有限元模擬(ni)和(he)理(li)論計算結果都顯(xian)示，142MPa的脹(zhang)接力(li)不能(neng)滿(man)足(zu)換熱管(guan)和(he)管(guan)板密封要求。
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(ying)嚴格控制(zhi)耐(nai)壓試驗(yan)用(yong)水(shui)和生產用(yong)水(shui)中氯離(li)子和硫(liu)(liu)的(de)含量，定期(qi)檢測廢熱鍋(guo)爐的(de)進(jin)水(shui)和排污水(shui)中氯離(li)子和硫(liu)(liu)的(de)含量。
②. 盡(jin)量減少停(ting)車。裝置停(ting)車時，要排凈鍋爐水，保(bao)證設備處在干燥狀態(tai)。避免(mian)出現干濕交替狀態(tai)。
③. 設(she)(she)備在進(jin)行修(xiu)復時(shi)或制造下一(yi)臺設(she)(she)備時(shi)，適當(dang)增加脹接力，保證貼脹質量，消除間隙。
④. 對于新造廢熱鍋爐，建議將現用的321不銹鋼更換為2205雙相不銹鋼(gang)。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(yi)修(xiu)復(fu)方案：對(dui)新(xin)投用廢(fei)鍋的(de)管(guan)(guan)子-管(guan)(guan)板連(lian)接處進行補(bu)脹；對(dui)已泄漏廢(fei)鍋的(de)管(guan)(guan)子-管(guan)(guan)板連(lian)接處進行鉆取管(guan)(guan)束(shu)，然(ran)后(hou)將(jiang)管(guan)(guan)束(shu)前(qian)移，重新(xin)焊(han)脹。
