浙(zhe)江至德(de)鋼業有限公(gong)司以水煤氣廢熱鍋爐在香蕉視頻app下載蘋果版:不銹鋼換熱管和管(guan)(guan)板(ban)連(lian)接(jie)處(chu)的失效(xiao)分(fen)析為例，說明失效(xiao)分(fen)析的過程和意義。管(guan)(guan)殼式換(huan)熱器廣泛(fan)應(ying)用(yong)(yong)于(yu)化工(gong)、石油、醫(yi)藥(yao)和核行業。管(guan)(guan)板(ban)和換(huan)熱管(guan)(guan)連(lian)接(jie)處(chu)是一個關鍵部位，它們之間的連(lian)接(jie)一般(ban)采用(yong)(yong)焊接(jie)、脹接(jie)或者兩者結合的方法。從文獻報道(dao)和實際使用(yong)(yong)情況(kuang)來看(kan)，管(guan)(guan)子和管(guan)(guan)板(ban)連(lian)接(jie)處(chu)的腐(fu)蝕是引(yin)起換(huan)熱器失效(xiao)的主要(yao)原因。因此(ci)，常(chang)采用(yong)(yong)奧氏體香蕉視頻app下載蘋果版:不銹鋼管子預防腐蝕的(de)(de)發生。然(ran)而，在特(te)定(ding)的(de)(de)介質和一定(ding)的(de)(de)拉應(ying)力(li)下，奧(ao)氏(shi)體不銹鋼會發生香蕉視頻app下載蘋果版:應力腐蝕開裂。拉應(ying)(ying)力來(lai)源于(yu)操作(zuo)壓力、熱應(ying)(ying)力或者制造(zao)的殘(can)(can)余(yu)應(ying)(ying)力。近年來(lai)，人們通(tong)過(guo)失(shi)效案例分(fen)(fen)析，對脹接或焊接殘(can)(can)余(yu)應(ying)(ying)力情況進行了大(da)量研究(jiu)，并認為(wei)它們在應(ying)(ying)力腐(fu)蝕(shi)中起到了重(zhong)要(yao)作(zuo)用。一些換(huan)熱器失(shi)效案例中，雖然(ran)介質中氯離子的濃度非常(chang)小，但是奧氏(shi)體不銹鋼管應(ying)(ying)力腐(fu)蝕(shi)還會發生。眾(zhong)多分(fen)(fen)析認為(wei)，應(ying)(ying)力腐(fu)蝕(shi)的發生是由氯離子在縫隙中的富集引起的。
現當(dang)介(jie)質中(zhong)氯離子濃度(du)僅有5.8mg/kg時，縫隙處的(de)濃度(du)值可(ke)高達2410mg/kg.但管子的(de)應力腐蝕和縫隙腐蝕仍不能避免。目前，對(dui)于脹接之后還存在(zai)縫隙的(de)原因(yin)不清楚(chu)，因(yin)此，這(zhe)個問題將在(zai)本章中(zhong)進行(xing)重點(dian)討論。
一、失(shi)效案例介紹
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。
設備在(zai)使用兩年左右(you)后(hou)，發現出口(kou)蒸汽中一氧化碳含量(liang)明顯增高，判(pan)斷水煤氣(qi)出現泄漏。設備停車(che)檢修時，并未發現宏觀缺陷(xian)。但水壓(ya)試驗時，發現管板堆焊層11處漏點；后(hou)經堵漏處理，漏點反而增加到20多處。第(di)二次水壓(ya)試驗時，又(you)出現新(xin)的漏點，同時，在(zai)管子(zi)內壁發現一些黑色(se)附著物，泄漏點位(wei)置和管內附著物如圖7-1所示。
二(er)、失效分(fen)析過程(cheng)和結果
1. 現場勘查
首先對(dui)(dui)不(bu)銹鋼管(guan)(guan)板進(jin)行(xing)著色探傷，未(wei)發(fa)現(xian)(xian)裂(lie)(lie)(lie)(lie)紋(wen)(wen)，如圖7-2(a)所示。其次，對(dui)(dui)筒體進(jin)行(xing)了檢查，未(wei)發(fa)現(xian)(xian)裂(lie)(lie)(lie)(lie)紋(wen)(wen)、腐蝕等現(xian)(xian)象，如圖7-2(b)所示。經仔(zi)細觀察，泄漏水珠是(shi)從換(huan)熱(re)管(guan)(guan)內流(liu)出的(de)，因此，基本可以(yi)確定裂(lie)(lie)(lie)(lie)紋(wen)(wen)出現(xian)(xian)在換(huan)熱(re)管(guan)(guan)上。經滲(shen)透檢測和打(da)磨(mo)(mo)，開始(shi)在管(guan)(guan)內壁未(wei)發(fa)現(xian)(xian)裂(lie)(lie)(lie)(lie)紋(wen)(wen)，但經過滲(shen)透和打(da)磨(mo)(mo)之后(hou)，出現(xian)(xian)樹枝狀(zhuang)裂(lie)(lie)(lie)(lie)紋(wen)(wen)；隨著打(da)磨(mo)(mo)的(de)進(jin)行(xing)，裂(lie)(lie)(lie)(lie)紋(wen)(wen)越來(lai)越清晰，并且裂(lie)(lie)(lie)(lie)紋(wen)(wen)寬度(du)由管(guan)(guan)內向外逐漸增加，如圖7-2(c)所示。因此，可以(yi)初步判斷裂(lie)(lie)(lie)(lie)紋(wen)(wen)起源于(yu)管(guan)(guan)外壁，向內部(bu)擴展。
2. 現場取(qu)樣(yang)
分別取含有漏(lou)點的一段(duan)進氣管以及(ji)對應的出氣管，同(tong)時(shi)收集了管束內壁附(fu)著物，如圖7-3所示(shi)。
3. 換熱管材料分析
采用(yong)光譜(pu)儀對(dui)失效換(huan)熱管(guan)材料化(hua)學成分(fen)進行了檢測分(fen)析(xi)，表明換(huan)熱管(guan)材料化(hua)學成分(fen)基(ji)本(ben)符合GB 13296-2007《鍋爐、熱交換(huan)器用(yong)不(bu)銹鋼無縫鋼管(guan)》標準中(zhong)對(dui)321不(bu)銹鋼的成分(fen)要求，結果(guo)見表7-3.
4. 裂(lie)紋檢查
如圖7-4所示(shi)，把兩取(qu)樣(yang)(yang)管打磨(mo)后，在(zai)進(jin)氣管外(wai)壁1、2區域內用肉眼可(ke)以觀察(cha)(cha)到微(wei)小裂(lie)紋(wen)(wen)，同時還發現在(zai)較(jiao)粗(cu)裂(lie)紋(wen)(wen)處有一些小凹坑。在(zai)取(qu)樣(yang)(yang)區1取(qu)試(shi)樣(yang)(yang)1。觀測(ce)取(qu)樣(yang)(yang)管橫(heng)截(jie)面的(de)裂(lie)紋(wen)(wen)和(he)金(jin)相(xiang)組(zu)織(zhi)(zhi)；在(zai)取(qu)樣(yang)(yang)區2取(qu)試(shi)樣(yang)(yang)2,用以觀察(cha)(cha)取(qu)樣(yang)(yang)管表面裂(lie)紋(wen)(wen)、裂(lie)紋(wen)(wen)內腐蝕產物化學成分(fen)和(he)金(jin)相(xiang)組(zu)織(zhi)(zhi)；在(zai)取(qu)樣(yang)(yang)區3取(qu)試(shi)樣(yang)(yang)3,用以觀測(ce)取(qu)樣(yang)(yang)管縱(zong)截(jie)面的(de)裂(lie)紋(wen)(wen)和(he)金(jin)相(xiang)組(zu)織(zhi)(zhi)。同時，在(zai)出氣管的(de)取(qu)樣(yang)(yang)區4、5取(qu)試(shi)樣(yang)(yang)4和(he)試(shi)樣(yang)(yang)5,分(fen)別觀測(ce)橫(heng)、縱(zong)截(jie)面裂(lie)紋(wen)(wen)和(he)金(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(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(xian)微鏡下(xia)觀察到換熱管(guan)表(biao)面裂(lie)紋(wen)平(ping)行于軸向(xiang)擴展，有主干和分支之分，為明顯(xian)的穿(chuan)晶(jing)型裂(lie)紋(wen)。金相組織為單(dan)相奧氏體，有孿晶(jing)分布(bu)，晶(jing)粒(li)較均勻，符(fu)合321不(bu)銹鋼固(gu)溶處(chu)理(li)的組織要求。同(tong)時，也觀察到一(yi)些顆粒(li)較大的夾雜物，如圖7-7所示。
試樣(yang)3~5: 顯微鏡下，試樣(yang)3(進氣管縱截(jie)(jie)面(mian)）以及試樣(yang)4、5(出(chu)氣管縱、橫截(jie)(jie)面(mian)）均未發(fa)(fa)現裂(lie)紋。金相(xiang)組織(zhi)(zhi)為單相(xiang)奧氏體(ti)，有(you)孿(luan)晶分布，晶粒較均勻(yun)，符合321不銹鋼固溶處理的組織(zhi)(zhi)要求(qiu)，如圖(tu)7-8和圖(tu)7-9。在試樣(yang)3顯微組織(zhi)(zhi)中發(fa)(fa)現有(you)TiN夾雜物(wu)，但量很(hen)少，屬正常現象。
5. 裂紋縫(feng)隙內雜質成分(fen)分(fen)析
為了分析裂(lie)紋縫隙內腐(fu)(fu)蝕產物的(de)(de)化學成(cheng)分，取試樣2外(wai)壁裂(lie)紋區域進行了電(dian)子(zi)探針(zhen)檢(jian)測。掃(sao)描(miao)區域的(de)(de)顯(xian)微(wei)形貌見圖(tu)7-10(a),裂(lie)紋有主(zhu)次之分，并平行于軸向發展(zhan)。掃(sao)描(miao)波(bo)譜(pu)結果見圖(tu)7-10(b),表7-4列出了裂(lie)紋內腐(fu)(fu)蝕產物部分成(cheng)分的(de)(de)半定量分析結果。在檢(jian)測中發現，腐(fu)(fu)蝕產物的(de)(de)主(zhu)要金(jin)屬成(cheng)分為鐵和鉻,非(fei)金(jin)屬元素為氯(lv)、硫和氧，在波(bo)譜(pu)上(shang)能看(kan)到明(ming)顯(xian)的(de)(de)Cl峰和S峰，說明(ming)該(gai)廢鍋的(de)(de)運行環境中殼程介質(zhi)含有的(de)(de)氯(lv)、硫可(ke)能是介質(zhi)中的(de)(de)也可(ke)能是材(cai)質(zhi)本身的(de)(de)。
6. 管壁附著物的化學(xue)成分分析
為(wei)了確定換熱管內(nei)壁(bi)黑色附著物(wu)(wu)的成分，在附著物(wu)(wu)較(jiao)厚處取下(xia)一些樣品。為(wei)全面(mian)分析(xi)附著物(wu)(wu)的化(hua)學(xue)成分，采用電感耦合等離子體(ti)(ti)－發(fa)射光譜法(fa)檢(jian)測(ce)(ce)金屬元(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)素(su)、元(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)素(su)分析(xi)法(fa)檢(jian)測(ce)(ce)碳(tan)和硫(liu)元(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)素(su)、離子色譜法(fa)檢(jian)測(ce)(ce)氯元(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)素(su)。檢(jian)測(ce)(ce)結果顯示，主要金屬元(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)素(su)是鐵,質量分數為(wei)30%,另外(wai)還有少量的鎳(nie)、砷(shen)、氯等；非金屬硫(liu)元(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)素(su)的含(han)量非常高，達到34%,當(dang)硫(liu)元(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)素(su)以(yi)濕硫(liu)化(hua)氫存在時(shi)，也(ye)會引起奧氏體(ti)(ti)不銹鋼應力腐蝕。
7. 廢(fei)熱鍋爐(lu)進出(chu)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以判斷(duan)，不銹鋼(gang)管(guan)(guan)子的裂紋是由應(ying)(ying)力(li)腐(fu)蝕引起(qi)的。管(guan)(guan)子脹(zhang)接后會(hui)產生殘(can)余(yu)應(ying)(ying)力(li)，管(guan)(guan)板和(he)(he)管(guan)(guan)子焊接后也會(hui)產生殘(can)余(yu)應(ying)(ying)力(li)。很多文獻(xian)已經證(zheng)明(ming)脹(zhang)接和(he)(he)焊接殘(can)余(yu)應(ying)(ying)力(li)的存在。在設(she)備檢(jian)修時，換(huan)熱管(guan)(guan)貼脹(zhang)部位(wei)的管(guan)(guan)子在去除強度(du)焊焊縫后很容易從管(guan)(guan)板中(zhong)取出，說明(ming)管(guan)(guan)子與管(guan)(guan)板之間存在微(wei)小(xiao)的縫隙(xi)。介質中(zhong)微(wei)量(liang)的氯離子可以在縫隙(xi)內濃縮，使其濃度(du)升高。
三(san)、最小脹(zhang)緊壓力計算
管(guan)(guan)子和(he)管(guan)(guan)板之間貼(tie)脹(zhang)是否(fou)緊密(mi)主要(yao)取決于(yu)脹(zhang)接壓力(li)(li)的(de)(de)(de)(de)大小(xiao)。貼(tie)脹(zhang)壓力(li)(li)過小(xiao)，換熱(re)管(guan)(guan)和(he)管(guan)(guan)板孔間會存(cun)在縫隙(xi)；脹(zhang)接壓力(li)(li)過大，管(guan)(guan)板和(he)管(guan)(guan)子之間產生(sheng)(sheng)較大的(de)(de)(de)(de)接觸應力(li)(li)，使管(guan)(guan)外壁因受管(guan)(guan)板孔的(de)(de)(de)(de)擠壓而產生(sheng)(sheng)額外的(de)(de)(de)(de)應力(li)(li)。因此，有必要(yao)對(dui)貼(tie)脹(zhang)的(de)(de)(de)(de)最小(xiao)壓力(li)(li)進行討論。下(xia)面通過理論計算(suan)和(he)有限元數值模擬(ni)來分析本失效案例中(zhong)所需的(de)(de)(de)(de)最小(xiao)貼(tie)脹(zhang)壓力(li)(li)。
1. 換熱管力學性(xing)能(neng)測試
為獲(huo)得(de)準(zhun)確的(de)(de)換熱(re)管材(cai)(cai)料(liao)特性，特從廢熱(re)鍋爐制造廠家獲(huo)取(qu)管材(cai)(cai)，采用萬能(neng)拉(la)伸(shen)試(shi)(shi)(shi)(shi)驗設(she)備(bei)進(jin)行材(cai)(cai)料(liao)的(de)(de)拉(la)伸(shen)試(shi)(shi)(shi)(shi)驗。材(cai)(cai)料(liao)試(shi)(shi)(shi)(shi)樣(yang)(yang)的(de)(de)制造及(ji)拉(la)伸(shen)試(shi)(shi)(shi)(shi)驗過程(cheng)按照GB/T228.1-2010《金屬材(cai)(cai)料(liao)拉(la)伸(shen)試(shi)(shi)(shi)(shi)驗第1部分；室(shi)溫(wen)試(shi)(shi)(shi)(shi)驗方(fang)法》標準(zhun)進(jin)行試(shi)(shi)(shi)(shi)驗。試(shi)(shi)(shi)(shi)樣(yang)(yang)圖紙(zhi)以及(ji)加工試(shi)(shi)(shi)(shi)樣(yang)(yang)如圖7-11所示，拉(la)伸(shen)試(shi)(shi)(shi)(shi)驗的(de)(de)應力－應變曲(qu)線如圖7-12所示。
2. 脹接力的理論計(ji)算
液(ye)壓(ya)脹(zhang)(zhang)接是一種(zhong)柔性(xing)脹(zhang)(zhang)接技術，壓(ya)力(li)均(jun)勻地作用于不銹(xiu)鋼管(guan)子內(nei)壁(bi)，管(guan)子的(de)變形在(zai)幾(ji)秒鐘內(nei)完成(cheng)。由于管(guan)子沒有受到反復碾(nian)壓(ya)，這種(zhong)脹(zhang)(zhang)接過程難以(yi)(yi)達到對管(guan)子與管(guan)板之(zhi)問粗糙(cao)表而的(de)“填(tian)平”效果。為保證脹(zhang)(zhang)接質量，管(guan)板孔的(de)加工粗糙(cao)度應控制(zhi)在(zai)Ra6.3μm以(yi)(yi)內(nei)。
根據液壓(ya)脹管機廠家(jia)提供的資料，可按下列方法計算脹接(jie)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。
在實際(ji)的(de)(de)制造中，管(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)板(ban)孔(kong)(kong)(kong)徑D和(he)換(huan)熱(re)(re)管(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)的(de)(de)壁厚(hou)(hou)(hou)都允(yun)許(xu)存(cun)在偏(pian)(pian)(pian)差(cha)(cha)(cha)。根(gen)據(ju)(ju)換(huan)熱(re)(re)器(qi)制造相關(guan)標準(zhun)(zhun)的(de)(de)規定，一級(ji)管(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)束管(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)板(ban)孔(kong)(kong)(kong)直徑是625.25mm時，允(yun)許(xu)偏(pian)(pian)(pian)差(cha)(cha)(cha)為(wei)0~+0.15.根(gen)據(ju)(ju)GB/T 17395-2008《無(wu)縫(feng)鋼管(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)尺寸、外(wai)形(xing)、重(zhong)量及(ji)允(yun)許(xu)偏(pian)(pian)(pian)差(cha)(cha)(cha)》標準(zhun)(zhun)的(de)(de)規定、管(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)子(zi)(zi)外(wai)徑偏(pian)(pian)(pian)差(cha)(cha)(cha)分為(wei)標準(zhun)(zhun)化(hua)(hua)外(wai)徑允(yun)許(xu)偏(pian)(pian)(pian)差(cha)(cha)(cha)四級(ji)和(he)非標準(zhun)(zhun)化(hua)(hua)外(wai)徑允(yun)許(xu)偏(pian)(pian)(pian)差(cha)(cha)(cha)四級(ji)。根(gen)據(ju)(ju)管(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)孔(kong)(kong)(kong)公(gong)差(cha)(cha)(cha)，能(neng)與管(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)板(ban)孔(kong)(kong)(kong)配(pei)合的(de)(de)管(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)子(zi)(zi)公(gong)差(cha)(cha)(cha)范圍為(wei)D4級(ji)士0.10、ND4級(ji)士0.20兩種。由于管(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)板(ban)孔(kong)(kong)(kong)直徑和(he)換(huan)熱(re)(re)管(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)外(wai)徑和(he)壁厚(hou)(hou)(hou)制造尺寸偏(pian)(pian)(pian)差(cha)(cha)(cha)的(de)(de)存(cun)在，會影響換(huan)熱(re)(re)管(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)和(he)管(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)板(ban)孔(kong)(kong)(kong)之間(jian)(jian)(jian)(jian)空隙(xi)(xi)的(de)(de)大小(xiao)。在不考(kao)慮偏(pian)(pian)(pian)差(cha)(cha)(cha)時，換(huan)熱(re)(re)管(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)和(he)管(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)板(ban)孔(kong)(kong)(kong)之間(jian)(jian)(jian)(jian)間(jian)(jian)(jian)(jian)隙(xi)(xi)為(wei)Δr=0.125mm;考(kao)慮偏(pian)(pian)(pian)差(cha)(cha)(cha)時，即對(dui)D4級(ji)管(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)子(zi)(zi)和(he)管(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)板(ban)孔(kong)(kong)(kong)配(pei)合的(de)(de)最(zui)(zui)大間(jian)(jian)(jian)(jian)隙(xi)(xi)為(wei)Δrmax=0.250mm,最(zui)(zui)小(xiao)間(jian)(jian)(jian)(jian)隙(xi)(xi)為(wei)Δrmin=0.075mm;對(dui)ND4級(ji)管(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)子(zi)(zi)和(he)管(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)板(ban)孔(kong)(kong)(kong)配(pei)合的(de)(de)最(zui)(zui)大間(jian)(jian)(jian)(jian)隙(xi)(xi)為(wei)Δrmax=0.300mm,最(zui)(zui)小(xiao)間(jian)(jian)(jian)(jian)隙(xi)(xi)為(wei)Δrmin=0.025mm.根(gen)據(ju)(ju)GB/T 17395-2008《無(wu)縫(feng)鋼管(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)尺寸、外(wai)形(xing)、重(zhong)量及(ji)允(yun)許(xu)偏(pian)(pian)(pian)差(cha)(cha)(cha)》標準(zhun)(zhun)的(de)(de)規定，管(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)子(zi)(zi)壁厚(hou)(hou)(hou)偏(pian)(pian)(pian)差(cha)(cha)(cha)分為(wei)標準(zhun)(zhun)化(hua)(hua)壁厚(hou)(hou)(hou)允(yun)許(xu)偏(pian)(pian)(pian)差(cha)(cha)(cha)九級(ji)（含亞級(ji)）和(he)非標準(zhun)(zhun)化(hua)(hua)壁厚(hou)(hou)(hou)允(yun)許(xu)偏(pian)(pian)(pian)差(cha)(cha)(cha)四級(ji)。按換(huan)熱(re)(re)管(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)強度要求，可供選擇(ze)的(de)(de)換(huan)熱(re)(re)管(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)壁厚(hou)(hou)(hou)偏(pian)(pian)(pian)差(cha)(cha)(cha)有：S3A級(ji)±0.20、S4A級(ji)±0.15、S5級(ji)±0.10、NS1級(ji)－0.25~+0.30、NS2級(ji)＋0.30~-0.20、NS3級(ji)＋0.25~-0.20、NS4級(ji)－0.15~+0.25.表7-7列出了兩種公(gong)差(cha)(cha)(cha)配(pei)合下，NS3級(ji)－0.20~+0.25的(de)(de)壁厚(hou)(hou)(hou)偏(pian)(pian)(pian)差(cha)(cha)(cha)下，根(gen)據(ju)(ju)式（7-2)計(ji)算出的(de)(de)脹接力Pmin的(de)(de)數值。
從(cong)表7-7來看，Δr=0.125mm時，ReLt＝205MPa 計算(suan)出的(de)(de)脹(zhang)接力(li)為142MPa，ReLt＝292MPa時的(de)(de)脹(zhang)接力(li)為202MPa,兩(liang)者差距(ju)較大。在脹(zhang)接件(jian)的(de)(de)尺(chi)寸確定的(de)(de)條件(jian)下，脹(zhang)接力(li)Pmin，隨(sui)屈服強度(du)的(de)(de)增(zeng)加而(er)增(zeng)大；在同一屈服強度(du)下，脹(zhang)接力(li)隨(sui)著管板之間空隙(xi)的(de)(de)減(jian)小(xiao)而(er)增(zeng)大，這顯(xian)然(ran)是與實際(ji)情況不(bu)符的(de)(de)。這說明武（7-2)沒有考慮脹(zhang)接件(jian)的(de)(de)尺(chi)寸偏差，因此在使用式（7-2)時不(bu)能(neng)把尺(chi)寸偏差帶(dai)入其中。
不考慮尺(chi)寸偏差(cha)，管板的(de)Rep=370MPa時，換熱(re)管不同(tong)屈(qu)服強度(du)下根據式（7-3)計(ji)算出的(de)最大脹(zhang)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(zhang)(zhang)接件的(de)加(jia)工尺寸(cun)偏(pian)差除了影響脹(zhang)(zhang)接力的(de)大小，還直接影響液袋式液壓(ya)脹(zhang)(zhang)管(guan)成本。在(zai)超高壓(ya)的(de)脹(zhang)(zhang)接壓(ya)力作(zuo)用下，管(guan)子向外膨脹(zhang)(zhang)，間(jian)隙(xi)越(yue)大，管(guan)子的(de)形變(bian)越(yue)大，因而液袋脹(zhang)(zhang)頭(tou)與(yu)管(guan)子內壁之間(jian)的(de)間(jian)隙(xi)將隨著(zhu)尺寸(cun)偏(pian)差加(jia)大而增大。液袋在(zai)超高壓(ya)作(zuo)用下，具有向間(jian)隙(xi)中流(liu)動的(de)趨勢，使液袋受到損傷(shang)。在(zai)同樣的(de)脹(zhang)(zhang)接壓(ya)力下，脹(zhang)(zhang)頭(tou)頭(tou)部的(de)尺寸(cun)與(yu)管(guan)子變(bian)形后的(de)間(jian)隙(xi)越(yue)大，液袋越(yue)易損壞，這種損傷(shang)隨著(zhu)間(jian)隙(xi)的(de)增大成幾何級(ji)數加(jia)劇。
3. 脹接壓力有限元分析
為了解在多大的(de)脹(zhang)(zhang)接(jie)力(li)下換(huan)熱管(guan)和(he)管(guan)板(ban)能有(you)效(xiao)(xiao)貼合，現對(dui)換(huan)熱管(guan)-管(guan)板(ban)焊脹(zhang)(zhang)連接(jie)處進(jin)行有(you)限(xian)元(yuan)分(fen)析。根據脹(zhang)(zhang)管(guan)和(he)管(guan)板(ban)的(de)實(shi)際尺寸(cun)建(jian)立(li)模(mo)型(xing)圖，施加不同的(de)脹(zhang)(zhang)接(jie)力(li)，觀察(cha)脹(zhang)(zhang)接(jie)效(xiao)(xiao)果。在分(fen)析時，考慮7.3.2節分(fen)析的(de)制造尺寸(cun)偏差情況和(he)材(cai)料的(de)力(li)學性能對(dui)脹(zhang)(zhang)接(jie)力(li)的(de)影響(xiang)。
A. 基本(ben)參(can)數(shu)
換(huan)熱(re)管的規格為Φ25mm×2mm,換(huan)熱(re)管在管板上以等邊三(san)角形的形狀排列(lie)，孔(kong)中心距為32mm,管板孔(kong)徑為25.25mm+0.15mm.換(huan)熱(re)管和管板的連接(jie)方式采用強度焊＋液壓(ya)(ya)脹(zhang)(zhang)，脹(zhang)(zhang)接(jie)力為142MPa.管程工作壓(ya)(ya)力為6.28MPa;換(huan)熱(re)管的一(yi)端伸出堆焊層(ceng)的長(chang)度為2.5mm,脹(zhang)(zhang)接(jie)從距離換(huan)熱(re)管口(kou)17.5mm處開始脹(zhang)(zhang)接(jie)部分共長(chang)268mm,管板與換(huan)熱(re)管連接(jie)的結(jie)構(gou)圖(tu)(tu)如(ru)圖(tu)(tu)7-13所示，根(gen)據實際結(jie)構(gou)尺寸簡畫出的幾(ji)何圖(tu)(tu)如(ru)圖(tu)(tu)7-14所示。
B. 有限元模型
總體坐(zuo)標采用(yong)柱坐(zuo)標系，以換熱(re)管軸(zhou)(zhou)線為Z軸(zhou)(zhou)，徑向為R,建立二維模型。管(guan)(guan)板和(he)換熱管(guan)(guan)均采用軸對稱 plane182單元(yuan)，TARGE169目(mu)標面單元(yuan)和(he)CONTA172接觸面單元建(jian)立換熱管與管板間的(de)柔(rou)性面－面接觸對(dui)，網格采(cai)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(cai)用貼脹(zhang)時，換(huan)熱管(guan)(guan)在(zai)脹(zhang)接(jie)過程中(zhong)會(hui)發(fa)生(sheng)微小(xiao)的(de)(de)(de)(de)(de)塑性(xing)(xing)(xing)形變(bian)，管(guan)(guan)板(ban)(ban)只(zhi)產生(sheng)彈(dan)性(xing)(xing)(xing)形變(bian)。因此，在(zai)ANSYS分析過程中(zhong)，采(cai)用塑性(xing)(xing)(xing)模(mo)型(xing)(xing)(xing)中(zhong)隨動強化Mises率不(bu)(bu)相(xiang)關的(de)(de)(de)(de)(de)多線性(xing)(xing)(xing)模(mo)型(xing)(xing)(xing)作為(wei)換(huan)熱管(guan)(guan)的(de)(de)(de)(de)(de)材料本構關系模(mo)型(xing)(xing)(xing)，數(shu)據(ju)取(qu)自321不(bu)(bu)銹鋼實測應(ying)力(li)-應(ying)變(bian)曲(qu)線；管(guan)(guan)板(ban)(ban)采(cai)用各向同性(xing)(xing)(xing)的(de)(de)(de)(de)(de)彈(dan)性(xing)(xing)(xing)模(mo)型(xing)(xing)(xing)。脹(zhang)接(jie)過程是(shi)在(zai)換(huan)熱管(guan)(guan)的(de)(de)(de)(de)(de)內(nei)表(biao)面(mian)施加不(bu)(bu)同的(de)(de)(de)(de)(de)壓力(li)值，使傳(chuan)熱管(guan)(guan)發(fa)生(sheng)塑性(xing)(xing)(xing)變(bian)形而(er)管(guan)(guan)板(ban)(ban)發(fa)生(sheng)彈(dan)性(xing)(xing)(xing)變(bian)形，卸掉載荷(he)后(hou)管(guan)(guan)板(ban)(ban)緊緊地壓緊傳(chuan)熱管(guan)(guan)，達到連接(jie)的(de)(de)(de)(de)(de)目的(de)(de)(de)(de)(de)。根據(ju)模(mo)型(xing)(xing)(xing)的(de)(de)(de)(de)(de)對(dui)稱(cheng)性(xing)(xing)(xing)，管(guan)(guan)板(ban)(ban)的(de)(de)(de)(de)(de)表(biao)面(mian)是(shi)固定(ding)不(bu)(bu)動的(de)(de)(de)(de)(de)，在(zai)模(mo)型(xing)(xing)(xing)中(zhong)設置(zhi)為(wei)完全(quan)約束。換(huan)熱管(guan)(guan)在(zai)脹(zhang)接(jie)的(de)(de)(de)(de)(de)過程中(zhong)軸是(shi)沒有位移的(de)(de)(de)(de)(de)，所以在(zai)傳(chuan)熱管(guan)(guan)的(de)(de)(de)(de)(de)軸向設定(ding)約束。
C. 脹接(jie)過程模擬
通過(guo)(guo)載(zai)荷增量法將脹(zhang)接(jie)壓(ya)力(li)施(shi)加到(dao)管子內表面施(shi)脹(zhang)部位(wei)的(de)(de)單(dan)元上，并分(fen)三個階(jie)段(duan)模擬(ni)脹(zhang)接(jie)過(guo)(guo)程(cheng)：第(di)一(yi)階(jie)段(duan)為(wei)脹(zhang)接(jie)壓(ya)力(li)由零增加至規定的(de)(de)壓(ya)力(li)，即脹(zhang)接(jie)壓(ya)力(li)加載(zai)段(duan)；第(di)二階(jie)段(duan)為(wei)脹(zhang)接(jie)力(li)停留一(yi)段(duan)時間；第(di)三階(jie)段(duan)為(wei)脹(zhang)接(jie)壓(ya)力(li)由規定值減少至零，即脹(zhang)接(jie)壓(ya)力(li)卸載(zai)段(duan)。考慮到(dao)接(jie)觸(chu)和(he)材料非(fei)線(xian)性(xing)的(de)(de)計(ji)算(suan)收斂(lian)速度和(he)計(ji)算(suan)精度，每(mei)(mei)個階(jie)段(duan)劃分(fen)為(wei)幾個載(zai)荷步(bu)，每(mei)(mei)個載(zai)荷步(bu)中增加若(ruo)干(gan)個子載(zai)荷步(bu)。為(wei)提高求解過(guo)(guo)程(cheng)的(de)(de)收斂(lian)速度。使(shi)(shi)用完全的(de)(de)Newton-Raphson迭代，以(yi)保證(zheng)每(mei)(mei)次平衡迭代使(shi)(shi)用正切(qie)剛度矩陣，使(shi)(shi)用線(xian)性(xing)搜(sou)索使(shi)(shi)計(ji)算(suan)穩定化。整個脹(zhang)接(jie)過(guo)(guo)程(cheng)所(suo)用時間為(wei)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(zao)尺(chi)寸偏差、間隙(xi)Δr=0.125mm時，換熱管的規格為Φ25mm×2mm,管板孔徑為25.25mm,模型如圖7-15所示。分析時，選(xuan)取脹管中間位置換熱管外壁(bi)的單(dan)元A進行有限元分析，位置如圖 7-16。
分(fen)別施(shi)加100MPa、142MPa、180MPa、210MPa、240MPa等的脹接力，經過(guo)多(duo)次計(ji)算發現，在230MPa時(shi)單元A沿R方向的絕對位(wei)移(yi)量(liang)u=0.125005，如(ru)圖7-17所示。表明此時(shi)換熱管和管板(ban)能有效貼合。
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(kan)出，間隙越大，需(xu)要(yao)的脹接(jie)力越大，0.05~0.325mm的間隙在(zai)142MPa的脹接(jie)力下不能保證換熱管和管板之間緊密貼(tie)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(guo)(guo)表明，換熱管(guan)屈服強度(du)大時所需的脹接力也大。模擬的結(jie)果(guo)(guo)與式（7-2)計(ji)(ji)(ji)算(suan)結(jie)果(guo)(guo)比較：不考慮偏差時大約相等；間隙大時，模擬結(jie)果(guo)(guo)比計(ji)(ji)(ji)算(suan)結(jie)果(guo)(guo)大；間隙小(xiao)時，模擬結(jie)果(guo)(guo)比計(ji)(ji)(ji)算(suan)值小(xiao)。
E. 換熱管脹接后殘余應力(li)
經過脹(zhang)接后換熱管發(fa)生(sheng)微(wei)小的(de)塑(su)性(xing)形變，管壁各處會存(cun)在(zai)殘余(yu)脹(zhang)接應力，在(zai)管外壁取一(yi)單(dan)元(yuan)分(fen)析其等效殘余(yu)應力情況(kuang)(kuang)，不同情況(kuang)(kuang)下等效殘余(yu)應力隨時間的(de)變化結果如圖(tu)7-24所示。
分析發現、換熱管(guan)外壁的等效殘余應力(li)處在20~40MPa之間。
四(si)、分析結果討論
不(bu)銹鋼(gang)管(guan)(guan)子(zi)(zi)(zi)的應(ying)力腐蝕由拉應(ying)力和腐蝕介質(zhi)共(gong)同引起(qi)。裂(lie)紋起(qi)源于管(guan)(guan)子(zi)(zi)(zi)外表面(mian)，并穿透壁面(mian)引起(qi)泄(xie)漏(lou)。通(tong)過公式計算和有(you)限元分析發現(xian)(xian)，管(guan)(guan)子(zi)(zi)(zi)和管(guan)(guan)板所(suo)需的最小脹(zhang)接(jie)壓力約為200MPa。在142MPa脹(zhang)接(jie)壓力下，管(guan)(guan)子(zi)(zi)(zi)和管(guan)(guan)板之(zhi)間貼合不(bu)緊密，存在縫隙。一旦換(huan)熱(re)管(guan)(guan)與換(huan)熱(re)管(guan)(guan)孔之(zhi)間現(xian)(xian)間隙，就為氯離子(zi)(zi)(zi)的富集創造了條件(jian)。
首先，攜帶微量氯(lv)離子(zi)的高溫鍋爐進(jin)入縫隙，水在(zai)縫隙內(nei)變(bian)(bian)成(cheng)蒸汽后排(pai)(pai)出。由于縫隙內(nei)流體緩(huan)慢，進(jin)入縫隙內(nei)的氯(lv)離子(zi)因擴散(san)系數(shu)變(bian)(bian)小而不易排(pai)(pai)出，特別是在(zai)近壁面(mian)，氯(lv)離子(zi)擴散(san)系數(shu)很小，氯(lv)離子(zi)將在(zai)壁面(mian)沉(chen)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)境中，少量(liang)的氯離子(zi)就能引起奧氏體(ti)不(bu)銹鋼應(ying)力腐蝕。試驗(yan)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(wu)、分(fen)析結論
①. 通過對換(huan)熱管的(de)化學(xue)成分分析(xi)，說明(ming)材料是(shi)0Cr18Ni10Ti,滿(man)足GB/T13296-2007《鍋爐、熱交換(huan)器用不銹鋼無縫鋼管》標準規定要求，鎳(nie)成分稍偏(pian)低，可能會降低耐蝕(shi)性能，但該換(huan)熱管表面沒(mei)有發生均勻腐蝕(shi)，而只是(shi)個(ge)別區(qu)域出現了裂紋，說明(ming)鎳(nie)成分偏(pian)低和裂紋沒(mei)有直接關系。
②. 通過電子探針和顯(xian)微鏡(jing)對裂(lie)紋(wen)(wen)的(de)(de)(de)(de)觀察(cha)，可(ke)看出(chu)裂(lie)紋(wen)(wen)源(yuan)存在(zai)于(yu)(yu)換(huan)熱管的(de)(de)(de)(de)外表面（點蝕），并(bing)平(ping)行(xing)于(yu)(yu)軸向和管徑向發展；裂(lie)紋(wen)(wen)的(de)(de)(de)(de)一個(ge)（或多個(ge)）分(fen)支在(zai)沿徑向發展時遇到材料基體(ti)中的(de)(de)(de)(de)缺(que)陷(xian)，加劇(ju)了腐蝕的(de)(de)(de)(de)程度，繼(ji)續向前發展成為穿透(tou)性裂(lie)紋(wen)(wen)，引起管內介質(zhi)泄漏。兩(liang)種觀測方法的(de)(de)(de)(de)結果(guo)都顯(xian)示(shi)，裂(lie)紋(wen)(wen)具有典型(xing)的(de)(de)(de)(de)應力腐蝕形貌。
③. 電子(zi)探(tan)針(zhen)的(de)掃描(miao)結果(guo)顯示，裂紋縫隙(xi)的(de)腐(fu)蝕產(chan)物中含氯、硫和氧(yang)元素，表(biao)明殼程廢鍋(guo)水中含有氯離子(zi),為換熱管的(de)應力腐(fu)蝕創造了腐(fu)蝕介(jie)質環境。
④. 管束(shu)內(nei)壁黑色附著物中的(de)S元(yuan)素含量較高，來(lai)源(yuan)于原料煤；鐵和鎳是水煤氣介(jie)質腐蝕設備形成的(de)。這種(zhong)換熱管的(de)失效與管內(nei)的(de)介(jie)質無關。
⑤. 在使用(yong)脹接力計算式（7-2)時注意兩(liang)點：
a. 不用考(kao)慮尺寸偏差。
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)熱(re)管和(he)(he)管板材料性質確定不準確或尺寸(cun)偏差較大的(de)換(huan)熱(re)器，建議先進行脹(zhang)(zhang)接工藝(yi)試驗，以獲(huo)得(de)脹(zhang)(zhang)接的(de)可(ke)靠性。為了(le)降低脹(zhang)(zhang)接成本，應選用尺寸(cun)精(jing)度等級較高的(de)換(huan)熱(re)管，盡量減小管子和(he)(he)管板之間的(de)間隙。
⑥. 有(you)限元模擬和(he)理論計算結(jie)果都顯示，142MPa的脹接力不能滿足換熱管和(he)管板(ban)密封要(yao)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(jian)議
①. 應嚴格(ge)控制耐壓試驗用水和生產用水中氯離(li)子(zi)和硫的(de)含量，定期(qi)檢(jian)測廢(fei)熱鍋(guo)爐的(de)進水和排污(wu)水中氯離(li)子(zi)和硫的(de)含量。
②. 盡(jin)量減少(shao)停車。裝(zhuang)置停車時，要排凈鍋爐水(shui)，保證設備處在干(gan)燥狀態(tai)。避免出現干(gan)濕交(jiao)替(ti)狀態(tai)。
③. 設(she)備在進行(xing)修(xiu)復時(shi)或制造下一臺設(she)備時(shi)，適(shi)當增加脹接力，保證貼(tie)脹質量，消除間(jian)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(shuang)相不銹鋼。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(fu)方案(an)：對新投用廢鍋的(de)管(guan)子(zi)-管(guan)板(ban)連接處(chu)進(jin)行(xing)補脹；對已(yi)泄漏廢鍋的(de)管(guan)子(zi)-管(guan)板(ban)連接處(chu)進(jin)行(xing)鉆取管(guan)束(shu)，然后(hou)將管(guan)束(shu)前移，重新焊脹。
