浙江至德鋼業(ye)有限公司以水煤氣廢熱鍋爐(lu)在香蕉視頻app蘋果:不銹鋼換熱管和(he)管(guan)板(ban)(ban)連接(jie)處的(de)(de)失(shi)效(xiao)(xiao)分(fen)析為例，說明失(shi)效(xiao)(xiao)分(fen)析的(de)(de)過程和(he)意義。管(guan)殼式(shi)換(huan)熱(re)器廣泛應用于(yu)化(hua)工(gong)、石油、醫藥和(he)核行業(ye)。管(guan)板(ban)(ban)和(he)換(huan)熱(re)管(guan)連接(jie)處是一(yi)個關鍵部位(wei)，它們之間的(de)(de)連接(jie)一(yi)般(ban)采用焊(han)接(jie)、脹接(jie)或(huo)者(zhe)兩者(zhe)結合的(de)(de)方法。從文獻報道和(he)實際(ji)使(shi)用情況來看，管(guan)子和(he)管(guan)板(ban)(ban)連接(jie)處的(de)(de)腐蝕是引起換(huan)熱(re)器失(shi)效(xiao)(xiao)的(de)(de)主要原因。因此，常采用奧(ao)氏體香蕉視頻app蘋果:不銹鋼管子預防腐蝕的發(fa)生(sheng)。然而，在特(te)定(ding)的介質和一定(ding)的拉應力(li)下(xia)，奧氏體不銹鋼(gang)會發(fa)生(sheng)香蕉視頻app蘋果:應力腐蝕開裂。拉應(ying)力來源于操作壓(ya)力、熱應(ying)力或(huo)(huo)者制造(zao)的殘余應(ying)力。近(jin)年來，人(ren)們通過失效案(an)例分(fen)析，對脹接或(huo)(huo)焊接殘余應(ying)力情況進行了大量研究(jiu)，并認為(wei)它(ta)們在應(ying)力腐蝕中(zhong)(zhong)起到了重要作用(yong)。一些換熱器失效案(an)例中(zhong)(zhong)，雖然介質中(zhong)(zhong)氯(lv)離子的濃度非常小，但是奧氏體(ti)不(bu)銹鋼管應(ying)力腐蝕還(huan)會發生(sheng)。眾多分(fen)析認為(wei)，應(ying)力腐蝕的發生(sheng)是由氯(lv)離子在縫隙(xi)中(zhong)(zhong)的富集引起的。
現(xian)當介質中(zhong)氯離子濃度僅有5.8mg/kg時，縫(feng)(feng)隙處的濃度值可(ke)高(gao)達2410mg/kg.但管子的應力腐蝕(shi)和(he)縫(feng)(feng)隙腐蝕(shi)仍(reng)不(bu)能(neng)避免。目前，對于脹接之后還存在(zai)縫(feng)(feng)隙的原因不(bu)清楚，因此(ci)，這個問題將在(zai)本章(zhang)中(zhong)進行重(zhong)點討論。
一、失效(xiao)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(xiu)鋼(gang)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。
設備在使用(yong)兩年左右后(hou)，發現(xian)(xian)出(chu)口(kou)蒸汽中一(yi)氧化碳含量明(ming)顯增(zeng)高，判斷(duan)水(shui)煤氣出(chu)現(xian)(xian)泄漏(lou)。設備停(ting)車檢修時，并未發現(xian)(xian)宏觀缺陷(xian)。但水(shui)壓試(shi)驗時，發現(xian)(xian)管板堆焊層11處(chu)漏(lou)點；后(hou)經(jing)堵(du)漏(lou)處(chu)理(li)，漏(lou)點反而增(zeng)加到(dao)20多處(chu)。第(di)二次(ci)水(shui)壓試(shi)驗時，又出(chu)現(xian)(xian)新的(de)漏(lou)點，同(tong)時，在管子內壁發現(xian)(xian)一(yi)些(xie)黑色附著(zhu)物，泄漏(lou)點位置和管內附著(zhu)物如(ru)圖7-1所示。
二、失效(xiao)分析過程(cheng)和結果
1. 現場勘查
首先(xian)對(dui)不銹鋼管板(ban)進(jin)(jin)行著色(se)探傷，未(wei)發(fa)現裂(lie)(lie)紋(wen)(wen)，如(ru)圖7-2(a)所示。其次(ci)，對(dui)筒體進(jin)(jin)行了檢查，未(wei)發(fa)現裂(lie)(lie)紋(wen)(wen)、腐蝕等(deng)現象，如(ru)圖7-2(b)所示。經(jing)(jing)仔細觀察，泄漏水珠是從(cong)換熱管內(nei)流(liu)出的，因此(ci)，基本可以確(que)定裂(lie)(lie)紋(wen)(wen)出現在(zai)換熱管上。經(jing)(jing)滲(shen)透檢測和打(da)磨，開始在(zai)管內(nei)壁未(wei)發(fa)現裂(lie)(lie)紋(wen)(wen)，但(dan)經(jing)(jing)過滲(shen)透和打(da)磨之后，出現樹枝狀裂(lie)(lie)紋(wen)(wen)；隨著打(da)磨的進(jin)(jin)行，裂(lie)(lie)紋(wen)(wen)越來越清晰，并且裂(lie)(lie)紋(wen)(wen)寬度(du)由管內(nei)向外逐漸(jian)增加，如(ru)圖7-2(c)所示。因此(ci)，可以初步判斷裂(lie)(lie)紋(wen)(wen)起源于管外壁，向內(nei)部擴展。
2. 現場取樣
分(fen)別取(qu)含有(you)漏點的(de)一(yi)段(duan)進氣(qi)管以及(ji)對(dui)應的(de)出(chu)氣(qi)管，同時(shi)收集(ji)了管束內壁附著物，如圖7-3所示。
3. 換熱(re)管(guan)材(cai)料(liao)分析
采用(yong)光(guang)譜(pu)儀(yi)對(dui)失效(xiao)換熱(re)管材(cai)(cai)料(liao)化(hua)學(xue)成分(fen)進行了檢(jian)測分(fen)析，表明換熱(re)管材(cai)(cai)料(liao)化(hua)學(xue)成分(fen)基本符合GB 13296-2007《鍋爐、熱(re)交換器用(yong)不銹(xiu)鋼(gang)無縫鋼(gang)管》標準中(zhong)對(dui)321不銹(xiu)鋼(gang)的成分(fen)要求(qiu)，結(jie)果(guo)見表7-3.
4. 裂紋檢(jian)查
如圖7-4所示，把兩取(qu)樣(yang)(yang)(yang)管(guan)打磨后，在進氣管(guan)外壁1、2區(qu)域內用(yong)肉眼可以(yi)(yi)觀察(cha)到微小裂紋(wen)(wen)(wen)，同時還發(fa)現在較(jiao)粗(cu)裂紋(wen)(wen)(wen)處(chu)有一些(xie)小凹坑(keng)。在取(qu)樣(yang)(yang)(yang)區(qu)1取(qu)試(shi)樣(yang)(yang)(yang)1。觀測(ce)取(qu)樣(yang)(yang)(yang)管(guan)橫截(jie)面的裂紋(wen)(wen)(wen)和(he)金(jin)相(xiang)(xiang)(xiang)組(zu)織；在取(qu)樣(yang)(yang)(yang)區(qu)2取(qu)試(shi)樣(yang)(yang)(yang)2,用(yong)以(yi)(yi)觀察(cha)取(qu)樣(yang)(yang)(yang)管(guan)表面裂紋(wen)(wen)(wen)、裂紋(wen)(wen)(wen)內腐蝕產物化學(xue)成(cheng)分(fen)和(he)金(jin)相(xiang)(xiang)(xiang)組(zu)織；在取(qu)樣(yang)(yang)(yang)區(qu)3取(qu)試(shi)樣(yang)(yang)(yang)3,用(yong)以(yi)(yi)觀測(ce)取(qu)樣(yang)(yang)(yang)管(guan)縱(zong)截(jie)面的裂紋(wen)(wen)(wen)和(he)金(jin)相(xiang)(xiang)(xiang)組(zu)織。同時，在出氣管(guan)的取(qu)樣(yang)(yang)(yang)區(qu)4、5取(qu)試(shi)樣(yang)(yang)(yang)4和(he)試(shi)樣(yang)(yang)(yang)5,分(fen)別觀測(ce)橫、縱(zong)截(jie)面裂紋(wen)(wen)(wen)和(he)金(jin)相(xiang)(xiang)(xiang)組(zu)織。
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(li)腐蝕(shi)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(yang)2: 顯(xian)微鏡下觀察(cha)(cha)到換(huan)熱管(guan)表面裂(lie)紋(wen)平行(xing)于(yu)軸向(xiang)擴展(zhan)，有(you)主干和分支之(zhi)分，為明顯(xian)的(de)穿晶(jing)型裂(lie)紋(wen)。金(jin)相組織為單相奧氏體(ti)，有(you)孿晶(jing)分布，晶(jing)粒(li)較(jiao)均勻，符(fu)合321不(bu)銹鋼固溶處理(li)的(de)組織要求(qiu)。同時，也(ye)觀察(cha)(cha)到一些(xie)顆粒(li)較(jiao)大的(de)夾雜(za)物，如圖(tu)7-7所(suo)示。
試(shi)樣3~5: 顯(xian)微鏡下，試(shi)樣3(進氣管縱(zong)截(jie)面(mian)）以及試(shi)樣4、5(出氣管縱(zong)、橫截(jie)面(mian)）均未發現裂紋。金相組(zu)織為單相奧氏體，有(you)孿晶分布，晶粒較均勻，符合321不銹鋼固溶處理的組(zu)織要求，如圖(tu)7-8和圖(tu)7-9。在試(shi)樣3顯(xian)微組(zu)織中(zhong)發現有(you)TiN夾雜物，但量很少，屬正常現象。
5. 裂紋縫隙內雜質成分分析
為了(le)(le)分(fen)析(xi)裂紋縫隙內腐(fu)(fu)蝕產物的化學成分(fen)，取試樣2外壁裂紋區域進行(xing)了(le)(le)電子探針檢測(ce)。掃(sao)描區域的顯微形貌見(jian)圖7-10(a),裂紋有主次之(zhi)分(fen)，并平行(xing)于軸向發展。掃(sao)描波譜結(jie)果(guo)見(jian)圖7-10(b),表7-4列(lie)出了(le)(le)裂紋內腐(fu)(fu)蝕產物部分(fen)成分(fen)的半定量(liang)分(fen)析(xi)結(jie)果(guo)。在(zai)檢測(ce)中發現，腐(fu)(fu)蝕產物的主要金屬(shu)成分(fen)為鐵(tie)和(he)鉻,非(fei)金屬(shu)元素(su)為氯(lv)、硫和(he)氧，在(zai)波譜上能看到明顯的Cl峰(feng)和(he)S峰(feng)，說明該廢(fei)鍋的運行(xing)環(huan)境中殼(ke)程介質(zhi)含有的氯(lv)、硫可能是介質(zhi)中的也可能是材質(zhi)本身的。
6. 管壁附著物的化學成分分析(xi)
為(wei)了確定換熱管內壁黑色(se)附(fu)著(zhu)物(wu)(wu)的(de)成分(fen)(fen)，在(zai)(zai)附(fu)著(zhu)物(wu)(wu)較厚處取下一(yi)些樣品。為(wei)全面分(fen)(fen)析(xi)附(fu)著(zhu)物(wu)(wu)的(de)化學成分(fen)(fen)，采(cai)用(yong)電感耦合等離子(zi)體－發射光譜(pu)法(fa)檢測(ce)金屬(shu)元(yuan)(yuan)素(su)、元(yuan)(yuan)素(su)分(fen)(fen)析(xi)法(fa)檢測(ce)碳(tan)和硫(liu)元(yuan)(yuan)素(su)、離子(zi)色(se)譜(pu)法(fa)檢測(ce)氯元(yuan)(yuan)素(su)。檢測(ce)結果顯示，主要金屬(shu)元(yuan)(yuan)素(su)是鐵,質量(liang)分(fen)(fen)數(shu)為(wei)30%,另外還有少量(liang)的(de)鎳、砷、氯等；非金屬(shu)硫(liu)元(yuan)(yuan)素(su)的(de)含量(liang)非常高，達(da)到34%,當硫(liu)元(yuan)(yuan)素(su)以濕硫(liu)化氫存在(zai)(zai)時(shi)，也會引起奧氏(shi)體不(bu)銹(xiu)鋼(gang)應力腐蝕。
7. 廢熱鍋爐(lu)進出水水質分析(xi)
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,排污水中的氯離子含量未進行檢測；水煤氣冷凝液中氯離(li)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，取樣水中的氯離子(zi)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(yi)上綜合分(fen)析可(ke)以(yi)判斷(duan)，不銹鋼管子(zi)(zi)(zi)(zi)的裂紋是由(you)應(ying)力(li)腐蝕(shi)引起的。管子(zi)(zi)(zi)(zi)脹接(jie)后會產(chan)生(sheng)殘余應(ying)力(li)，管板和管子(zi)(zi)(zi)(zi)焊(han)接(jie)后也會產(chan)生(sheng)殘余應(ying)力(li)。很(hen)多(duo)文獻已(yi)經證明脹接(jie)和焊(han)接(jie)殘余應(ying)力(li)的存在(zai)(zai)(zai)。在(zai)(zai)(zai)設備檢修時，換熱管貼脹部位的管子(zi)(zi)(zi)(zi)在(zai)(zai)(zai)去除強度(du)焊(han)焊(han)縫(feng)(feng)后很(hen)容(rong)易從管板中取出，說明管子(zi)(zi)(zi)(zi)與管板之(zhi)間存在(zai)(zai)(zai)微小的縫(feng)(feng)隙。介質(zhi)中微量的氯離子(zi)(zi)(zi)(zi)可(ke)以(yi)在(zai)(zai)(zai)縫(feng)(feng)隙內濃縮(suo)，使其濃度(du)升高。
三、最小(xiao)脹緊壓(ya)力計(ji)算
管(guan)(guan)子和(he)管(guan)(guan)板之間(jian)(jian)貼脹是否(fou)緊密主(zhu)要(yao)取(qu)決于(yu)脹接壓(ya)力(li)的(de)大(da)(da)小。貼脹壓(ya)力(li)過(guo)(guo)小，換熱管(guan)(guan)和(he)管(guan)(guan)板孔間(jian)(jian)會存(cun)在縫隙；脹接壓(ya)力(li)過(guo)(guo)大(da)(da)，管(guan)(guan)板和(he)管(guan)(guan)子之間(jian)(jian)產(chan)生(sheng)較大(da)(da)的(de)接觸應(ying)力(li)，使管(guan)(guan)外壁因受管(guan)(guan)板孔的(de)擠壓(ya)而產(chan)生(sheng)額外的(de)應(ying)力(li)。因此(ci)，有(you)必要(yao)對貼脹的(de)最(zui)小壓(ya)力(li)進行討論。下面通過(guo)(guo)理論計算和(he)有(you)限元數值模(mo)擬來分析本失效案例(li)中所需(xu)的(de)最(zui)小貼脹壓(ya)力(li)。
1. 換熱管(guan)力學性能(neng)測試(shi)
為獲(huo)得準確的(de)(de)換熱(re)管材(cai)料(liao)特性，特從廢熱(re)鍋爐制造廠家獲(huo)取管材(cai)，采用萬能拉伸試(shi)(shi)(shi)驗(yan)(yan)設備進行(xing)材(cai)料(liao)的(de)(de)拉伸試(shi)(shi)(shi)驗(yan)(yan)。材(cai)料(liao)試(shi)(shi)(shi)樣的(de)(de)制造及拉伸試(shi)(shi)(shi)驗(yan)(yan)過程(cheng)按照GB/T228.1-2010《金屬材(cai)料(liao)拉伸試(shi)(shi)(shi)驗(yan)(yan)第1部分(fen)；室溫(wen)試(shi)(shi)(shi)驗(yan)(yan)方法》標準進行(xing)試(shi)(shi)(shi)驗(yan)(yan)。試(shi)(shi)(shi)樣圖(tu)紙(zhi)以及加工(gong)試(shi)(shi)(shi)樣如圖(tu)7-11所示，拉伸試(shi)(shi)(shi)驗(yan)(yan)的(de)(de)應力－應變曲線(xian)如圖(tu)7-12所示。
2. 脹接力的理論計算
液壓(ya)(ya)脹接是一(yi)種柔性脹接技術，壓(ya)(ya)力均勻(yun)地作(zuo)用(yong)于不(bu)銹鋼(gang)管子(zi)內(nei)壁，管子(zi)的變形在幾(ji)秒鐘內(nei)完成(cheng)。由于管子(zi)沒有(you)受到(dao)反復碾(nian)壓(ya)(ya)，這種脹接過(guo)程難以(yi)達到(dao)對(dui)管子(zi)與管板之問粗(cu)糙(cao)表而的“填平”效果。為保證脹接質量，管板孔的加工粗(cu)糙(cao)度應控制在Ra6.3μm以(yi)內(nei)。
根據液壓脹管機廠家提供的資料，可按下列方法(fa)計算脹接力(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(ji)的(de)制造中，管(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)板(ban)(ban)孔(kong)(kong)徑(jing)(jing)D和(he)(he)換(huan)熱(re)(re)管(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)的(de)壁(bi)(bi)厚(hou)(hou)都允(yun)許(xu)存(cun)在(zai)偏(pian)(pian)差(cha)。根(gen)據換(huan)熱(re)(re)器制造相關標(biao)(biao)準(zhun)(zhun)的(de)規(gui)(gui)定，一級(ji)(ji)(ji)管(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)束管(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)板(ban)(ban)孔(kong)(kong)直徑(jing)(jing)是625.25mm時，允(yun)許(xu)偏(pian)(pian)差(cha)為(wei)0~+0.15.根(gen)據GB/T 17395-2008《無縫鋼管(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)尺寸、外形、重量(liang)及允(yun)許(xu)偏(pian)(pian)差(cha)》標(biao)(biao)準(zhun)(zhun)的(de)規(gui)(gui)定、管(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)子(zi)外徑(jing)(jing)偏(pian)(pian)差(cha)分為(wei)標(biao)(biao)準(zhun)(zhun)化(hua)外徑(jing)(jing)允(yun)許(xu)偏(pian)(pian)差(cha)四級(ji)(ji)(ji)和(he)(he)非標(biao)(biao)準(zhun)(zhun)化(hua)外徑(jing)(jing)允(yun)許(xu)偏(pian)(pian)差(cha)四級(ji)(ji)(ji)。根(gen)據管(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)孔(kong)(kong)公差(cha)，能與管(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)板(ban)(ban)孔(kong)(kong)配(pei)合的(de)管(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)子(zi)公差(cha)范圍為(wei)D4級(ji)(ji)(ji)士0.10、ND4級(ji)(ji)(ji)士0.20兩種。由于管(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)板(ban)(ban)孔(kong)(kong)直徑(jing)(jing)和(he)(he)換(huan)熱(re)(re)管(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)外徑(jing)(jing)和(he)(he)壁(bi)(bi)厚(hou)(hou)制造尺寸偏(pian)(pian)差(cha)的(de)存(cun)在(zai)，會影響換(huan)熱(re)(re)管(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)和(he)(he)管(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)板(ban)(ban)孔(kong)(kong)之(zhi)(zhi)間(jian)空隙(xi)的(de)大(da)小(xiao)。在(zai)不考慮偏(pian)(pian)差(cha)時，換(huan)熱(re)(re)管(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)和(he)(he)管(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)板(ban)(ban)孔(kong)(kong)之(zhi)(zhi)間(jian)間(jian)隙(xi)為(wei)Δr=0.125mm;考慮偏(pian)(pian)差(cha)時，即對(dui)D4級(ji)(ji)(ji)管(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)子(zi)和(he)(he)管(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)板(ban)(ban)孔(kong)(kong)配(pei)合的(de)最(zui)大(da)間(jian)隙(xi)為(wei)Δrmax=0.250mm,最(zui)小(xiao)間(jian)隙(xi)為(wei)Δrmin=0.075mm;對(dui)ND4級(ji)(ji)(ji)管(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)子(zi)和(he)(he)管(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)板(ban)(ban)孔(kong)(kong)配(pei)合的(de)最(zui)大(da)間(jian)隙(xi)為(wei)Δrmax=0.300mm,最(zui)小(xiao)間(jian)隙(xi)為(wei)Δrmin=0.025mm.根(gen)據GB/T 17395-2008《無縫鋼管(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)尺寸、外形、重量(liang)及允(yun)許(xu)偏(pian)(pian)差(cha)》標(biao)(biao)準(zhun)(zhun)的(de)規(gui)(gui)定，管(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)子(zi)壁(bi)(bi)厚(hou)(hou)偏(pian)(pian)差(cha)分為(wei)標(biao)(biao)準(zhun)(zhun)化(hua)壁(bi)(bi)厚(hou)(hou)允(yun)許(xu)偏(pian)(pian)差(cha)九級(ji)(ji)(ji)（含亞級(ji)(ji)(ji)）和(he)(he)非標(biao)(biao)準(zhun)(zhun)化(hua)壁(bi)(bi)厚(hou)(hou)允(yun)許(xu)偏(pian)(pian)差(cha)四級(ji)(ji)(ji)。按換(huan)熱(re)(re)管(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)強度(du)要求，可供選擇(ze)的(de)換(huan)熱(re)(re)管(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)壁(bi)(bi)厚(hou)(hou)偏(pian)(pian)差(cha)有(you)：S3A級(ji)(ji)(ji)±0.20、S4A級(ji)(ji)(ji)±0.15、S5級(ji)(ji)(ji)±0.10、NS1級(ji)(ji)(ji)－0.25~+0.30、NS2級(ji)(ji)(ji)＋0.30~-0.20、NS3級(ji)(ji)(ji)＋0.25~-0.20、NS4級(ji)(ji)(ji)－0.15~+0.25.表7-7列(lie)出(chu)了兩種公差(cha)配(pei)合下，NS3級(ji)(ji)(ji)－0.20~+0.25的(de)壁(bi)(bi)厚(hou)(hou)偏(pian)(pian)差(cha)下，根(gen)據式（7-2)計算出(chu)的(de)脹(zhang)接力Pmin的(de)數值。
從表7-7來看(kan)，Δr=0.125mm時(shi)，ReLt＝205MPa 計算出的(de)(de)(de)脹接力(li)(li)為142MPa，ReLt＝292MPa時(shi)的(de)(de)(de)脹接力(li)(li)為202MPa,兩(liang)者差距較大(da)。在脹接件(jian)的(de)(de)(de)尺(chi)(chi)寸(cun)確定的(de)(de)(de)條件(jian)下，脹接力(li)(li)Pmin，隨屈服強度的(de)(de)(de)增(zeng)(zeng)(zeng)加而增(zeng)(zeng)(zeng)大(da)；在同一屈服強度下，脹接力(li)(li)隨著管(guan)板之間空隙的(de)(de)(de)減(jian)小而增(zeng)(zeng)(zeng)大(da)，這顯然是與實際情況不符(fu)的(de)(de)(de)。這說明武(wu)（7-2)沒有考慮(lv)脹接件(jian)的(de)(de)(de)尺(chi)(chi)寸(cun)偏差，因此(ci)在使用式（7-2)時(shi)不能把(ba)尺(chi)(chi)寸(cun)偏差帶入(ru)其中。
不(bu)考慮尺寸偏差，管板的Rep=370MPa時，換(huan)熱管不(bu)同屈服強度下根(gen)據式（7-3)計算出的最大脹接(jie)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。
脹接件的加工(gong)尺(chi)寸偏差除了影響(xiang)脹接力的大(da)(da)小，還直接影響(xiang)液(ye)袋(dai)式(shi)液(ye)壓(ya)(ya)脹管(guan)(guan)(guan)成(cheng)本。在超(chao)高(gao)壓(ya)(ya)的脹接壓(ya)(ya)力作用下，管(guan)(guan)(guan)子(zi)向外(wai)膨脹，間隙(xi)越大(da)(da)，管(guan)(guan)(guan)子(zi)的形(xing)(xing)變越大(da)(da)，因而液(ye)袋(dai)脹頭與管(guan)(guan)(guan)子(zi)內(nei)壁之間的間隙(xi)將(jiang)隨(sui)著(zhu)尺(chi)寸偏差加大(da)(da)而增大(da)(da)。液(ye)袋(dai)在超(chao)高(gao)壓(ya)(ya)作用下，具(ju)有向間隙(xi)中流動的趨勢，使(shi)液(ye)袋(dai)受到損傷(shang)。在同(tong)樣的脹接壓(ya)(ya)力下，脹頭頭部(bu)的尺(chi)寸與管(guan)(guan)(guan)子(zi)變形(xing)(xing)后的間隙(xi)越大(da)(da)，液(ye)袋(dai)越易損壞，這種損傷(shang)隨(sui)著(zhu)間隙(xi)的增大(da)(da)成(cheng)幾何級數加劇。
3. 脹接壓力(li)有限元(yuan)分析(xi)
為了解在多大的(de)脹(zhang)(zhang)(zhang)接(jie)力下換(huan)熱管和管板能有(you)效貼合，現對(dui)(dui)換(huan)熱管-管板焊(han)脹(zhang)(zhang)(zhang)連接(jie)處進(jin)行有(you)限元分析(xi)。根據脹(zhang)(zhang)(zhang)管和管板的(de)實際尺寸建立模型(xing)圖，施(shi)加不同的(de)脹(zhang)(zhang)(zhang)接(jie)力，觀(guan)察脹(zhang)(zhang)(zhang)接(jie)效果。在分析(xi)時，考慮7.3.2節(jie)分析(xi)的(de)制造尺寸偏(pian)差情況和材料的(de)力學(xue)性能對(dui)(dui)脹(zhang)(zhang)(zhang)接(jie)力的(de)影響。
A. 基本參數
換(huan)熱(re)管(guan)(guan)(guan)(guan)的(de)規格為Φ25mm×2mm,換(huan)熱(re)管(guan)(guan)(guan)(guan)在(zai)管(guan)(guan)(guan)(guan)板(ban)上以(yi)等邊三角形(xing)(xing)的(de)形(xing)(xing)狀排(pai)列，孔中心(xin)距為32mm,管(guan)(guan)(guan)(guan)板(ban)孔徑(jing)為25.25mm+0.15mm.換(huan)熱(re)管(guan)(guan)(guan)(guan)和(he)管(guan)(guan)(guan)(guan)板(ban)的(de)連接方(fang)式采用強度(du)焊＋液壓(ya)脹，脹接力為142MPa.管(guan)(guan)(guan)(guan)程(cheng)工(gong)作壓(ya)力為6.28MPa;換(huan)熱(re)管(guan)(guan)(guan)(guan)的(de)一端伸出堆焊層的(de)長(chang)度(du)為2.5mm,脹接從距離換(huan)熱(re)管(guan)(guan)(guan)(guan)口(kou)17.5mm處開始脹接部分共長(chang)268mm,管(guan)(guan)(guan)(guan)板(ban)與(yu)換(huan)熱(re)管(guan)(guan)(guan)(guan)連接的(de)結(jie)構圖如圖7-13所示，根(gen)據(ju)實(shi)際結(jie)構尺寸簡畫出的(de)幾何圖如圖7-14所示。
B. 有限元模型
總體坐(zuo)標采用(yong)柱(zhu)坐(zuo)標系，以換熱管(guan)軸線為Z軸，徑(jing)向為R,建立(li)二維模(mo)型。管(guan)板和(he)換(huan)熱管(guan)均采(cai)用軸對稱(cheng) plane182單(dan)元(yuan)(yuan)，TARGE169目標面單(dan)元(yuan)(yuan)和(he)CONTA172接(jie)觸面單元(yuan)建立換熱管與管板間的柔性面－面接(jie)觸對(dui)，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(cai)用貼脹時，換(huan)(huan)熱(re)(re)管(guan)(guan)在(zai)脹接(jie)(jie)過(guo)程中會發生(sheng)(sheng)微小的(de)塑(su)(su)性(xing)(xing)(xing)形變，管(guan)(guan)板只產(chan)生(sheng)(sheng)彈(dan)性(xing)(xing)(xing)形變。因此(ci)，在(zai)ANSYS分析過(guo)程中，采(cai)用塑(su)(su)性(xing)(xing)(xing)模型(xing)(xing)中隨動強化(hua)Mises率不相(xiang)關的(de)多線性(xing)(xing)(xing)模型(xing)(xing)作(zuo)為換(huan)(huan)熱(re)(re)管(guan)(guan)的(de)材料本構關系模型(xing)(xing)，數據(ju)取自321不銹鋼實測應力-應變曲線；管(guan)(guan)板采(cai)用各(ge)向同(tong)性(xing)(xing)(xing)的(de)彈(dan)性(xing)(xing)(xing)模型(xing)(xing)。脹接(jie)(jie)過(guo)程是在(zai)換(huan)(huan)熱(re)(re)管(guan)(guan)的(de)內表面施加不同(tong)的(de)壓(ya)力值，使傳(chuan)熱(re)(re)管(guan)(guan)發生(sheng)(sheng)塑(su)(su)性(xing)(xing)(xing)變形而管(guan)(guan)板發生(sheng)(sheng)彈(dan)性(xing)(xing)(xing)變形，卸掉載荷(he)后管(guan)(guan)板緊緊地壓(ya)緊傳(chuan)熱(re)(re)管(guan)(guan)，達到連接(jie)(jie)的(de)目(mu)的(de)。根(gen)據(ju)模型(xing)(xing)的(de)對稱性(xing)(xing)(xing)，管(guan)(guan)板的(de)表面是固定不動的(de)，在(zai)模型(xing)(xing)中設置(zhi)為完全約束(shu)(shu)。換(huan)(huan)熱(re)(re)管(guan)(guan)在(zai)脹接(jie)(jie)的(de)過(guo)程中軸(zhou)(zhou)是沒有位移的(de)，所以(yi)在(zai)傳(chuan)熱(re)(re)管(guan)(guan)的(de)軸(zhou)(zhou)向設定約束(shu)(shu)。
C. 脹(zhang)接過程(cheng)模擬
通過(guo)(guo)載(zai)(zai)荷(he)增量法(fa)將脹(zhang)(zhang)接(jie)壓(ya)力施加(jia)到管子(zi)內表面施脹(zhang)(zhang)部位的(de)(de)單元上，并分三(san)個(ge)階(jie)(jie)段模擬(ni)脹(zhang)(zhang)接(jie)過(guo)(guo)程(cheng)：第(di)(di)一階(jie)(jie)段為脹(zhang)(zhang)接(jie)壓(ya)力由零(ling)增加(jia)至規(gui)定的(de)(de)壓(ya)力，即脹(zhang)(zhang)接(jie)壓(ya)力加(jia)載(zai)(zai)段；第(di)(di)二階(jie)(jie)段為脹(zhang)(zhang)接(jie)力停(ting)留一段時(shi)間；第(di)(di)三(san)階(jie)(jie)段為脹(zhang)(zhang)接(jie)壓(ya)力由規(gui)定值減少至零(ling)，即脹(zhang)(zhang)接(jie)壓(ya)力卸載(zai)(zai)段。考慮到接(jie)觸(chu)和(he)材料非(fei)線(xian)性的(de)(de)計(ji)(ji)算收斂(lian)速(su)度(du)和(he)計(ji)(ji)算精度(du)，每個(ge)階(jie)(jie)段劃分為幾個(ge)載(zai)(zai)荷(he)步(bu)，每個(ge)載(zai)(zai)荷(he)步(bu)中增加(jia)若干個(ge)子(zi)載(zai)(zai)荷(he)步(bu)。為提高求(qiu)解(jie)過(guo)(guo)程(cheng)的(de)(de)收斂(lian)速(su)度(du)。使(shi)(shi)用(yong)完全(quan)的(de)(de)Newton-Raphson迭(die)代(dai)，以保(bao)證每次平衡迭(die)代(dai)使(shi)(shi)用(yong)正(zheng)切剛度(du)矩(ju)陣(zhen)，使(shi)(shi)用(yong)線(xian)性搜索(suo)使(shi)(shi)計(ji)(ji)算穩(wen)定化。整個(ge)脹(zhang)(zhang)接(jie)過(guo)(guo)程(cheng)所(suo)用(yong)時(shi)間為2~3s.
D. 模(mo)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(cun)偏差(cha)、間隙Δr=0.125mm時(shi)，換(huan)熱管(guan)的(de)規格為Φ25mm×2mm,管(guan)板孔徑為25.25mm,模型如圖7-15所示。分(fen)析時(shi)，選(xuan)取脹管(guan)中間位置換(huan)熱管(guan)外壁的(de)單元A進行有限元分(fen)析，位置如圖 7-16。
分別施(shi)加(jia)100MPa、142MPa、180MPa、210MPa、240MPa等的脹接力(li)，經過多次(ci)計算發現，在230MPa時單元A沿(yan)R方向的絕對(dui)位移(yi)量u=0.125005，如圖7-17所示(shi)。表(biao)明(ming)此時換熱管和管板能有效貼合。
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。
從模擬結果看出(chu)，間隙越大(da)，需(xu)要的(de)脹接力(li)越大(da)，0.05~0.325mm的(de)間隙在142MPa的(de)脹接力(li)下不能保證換熱管(guan)和管(guan)板之間緊密(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(guo)表明，換(huan)熱管屈服強(qiang)度大(da)時(shi)所需的脹接力也大(da)。模(mo)擬的結(jie)果(guo)與(yu)式(shi)（7-2)計算結(jie)果(guo)比較(jiao)：不(bu)考慮偏差時(shi)大(da)約(yue)相等；間(jian)隙大(da)時(shi)，模(mo)擬結(jie)果(guo)比計算結(jie)果(guo)大(da)；間(jian)隙小(xiao)時(shi)，模(mo)擬結(jie)果(guo)比計算值小(xiao)。
E. 換熱管脹接(jie)后殘余應力
經過脹(zhang)接后換(huan)熱管發生微小(xiao)的塑性形變(bian)，管壁(bi)各處會存在殘(can)余(yu)脹(zhang)接應(ying)力，在管外壁(bi)取一單元分(fen)析其等效(xiao)(xiao)殘(can)余(yu)應(ying)力情況(kuang)，不同(tong)情況(kuang)下等效(xiao)(xiao)殘(can)余(yu)應(ying)力隨(sui)時間的變(bian)化結果如圖(tu)7-24所(suo)示。
分析發現(xian)、換熱管外壁(bi)的等效殘(can)余(yu)應力處(chu)在20~40MPa之間(jian)。
四、分析結果(guo)討論
不銹(xiu)鋼管(guan)(guan)子(zi)(zi)的(de)應(ying)力(li)腐蝕由拉應(ying)力(li)和(he)腐蝕介質共同(tong)引起(qi)(qi)。裂紋起(qi)(qi)源(yuan)于管(guan)(guan)子(zi)(zi)外(wai)表面(mian)(mian)，并穿透壁面(mian)(mian)引起(qi)(qi)泄漏。通過(guo)公式計算和(he)有限元分析發現，管(guan)(guan)子(zi)(zi)和(he)管(guan)(guan)板(ban)所需的(de)最(zui)小脹接(jie)壓(ya)力(li)約為200MPa。在142MPa脹接(jie)壓(ya)力(li)下，管(guan)(guan)子(zi)(zi)和(he)管(guan)(guan)板(ban)之(zhi)間貼合不緊(jin)密，存在縫隙。一旦換(huan)熱管(guan)(guan)與換(huan)熱管(guan)(guan)孔之(zhi)間現間隙，就(jiu)為氯(lv)離子(zi)(zi)的(de)富集創造(zao)了條件。
首先，攜帶微量(liang)氯離(li)子的(de)高(gao)溫鍋爐進入縫(feng)隙(xi)(xi)，水在(zai)縫(feng)隙(xi)(xi)內(nei)變成(cheng)蒸汽(qi)后排出。由于縫(feng)隙(xi)(xi)內(nei)流(liu)體緩慢，進入縫(feng)隙(xi)(xi)內(nei)的(de)氯離(li)子因擴散(san)(san)系數(shu)變小而不(bu)易排出，特別是在(zai)近壁(bi)面，氯離(li)子擴散(san)(san)系數(shu)很(hen)小，氯離(li)子將(jiang)在(zai)壁(bi)面沉積，如圖7-25所示。
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(gao)溫環境中，少量的氯(lv)離子(zi)就(jiu)能引起(qi)奧(ao)氏體不銹(xiu)鋼應力(li)腐蝕。試驗表明，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. 通過對(dui)換熱(re)管(guan)的化(hua)學(xue)成(cheng)分(fen)分(fen)析，說明材(cai)料(liao)是(shi)0Cr18Ni10Ti,滿(man)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)要求，鎳成(cheng)分(fen)稍偏低，可能(neng)會降低耐蝕性能(neng)，但(dan)該換熱(re)管(guan)表(biao)面沒有發生均勻腐蝕，而只是(shi)個別區域出現了裂(lie)紋，說明鎳成(cheng)分(fen)偏低和裂(lie)紋沒有直接關系。
②. 通過電子(zi)探針和(he)顯微(wei)鏡對裂(lie)(lie)紋的(de)(de)觀察，可看(kan)出(chu)裂(lie)(lie)紋源存在于換熱管的(de)(de)外表面(mian)（點蝕(shi)），并平行于軸向(xiang)和(he)管徑(jing)向(xiang)發(fa)展；裂(lie)(lie)紋的(de)(de)一個（或(huo)多個）分(fen)支(zhi)在沿徑(jing)向(xiang)發(fa)展時遇(yu)到(dao)材料基體(ti)中的(de)(de)缺陷，加劇了腐蝕(shi)的(de)(de)程度，繼續向(xiang)前發(fa)展成(cheng)為穿透性裂(lie)(lie)紋，引(yin)起管內介質泄漏。兩種(zhong)觀測(ce)方法(fa)的(de)(de)結果都顯示，裂(lie)(lie)紋具有典型的(de)(de)應力腐蝕(shi)形貌(mao)。
③. 電子探針的掃描結果(guo)顯(xian)示，裂紋縫隙的腐(fu)蝕(shi)產物(wu)中含(han)氯(lv)、硫和氧元(yuan)素，表明(ming)殼(ke)程廢(fei)鍋(guo)水中含(han)有氯(lv)離子,為換(huan)熱管的應(ying)力腐(fu)蝕(shi)創造了(le)腐(fu)蝕(shi)介質環境(jing)。
④. 管(guan)束(shu)內壁黑色(se)附著物中(zhong)的(de)S元素含量較高(gao)，來源于(yu)原料煤(mei)；鐵(tie)和鎳是水煤(mei)氣介質(zhi)腐蝕設備形成(cheng)的(de)。這種換熱管(guan)的(de)失效與管(guan)內的(de)介質(zhi)無(wu)關。
⑤. 在使(shi)用脹接力計算式（7-2)時注意兩點(dian)：
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。
根據換熱(re)管(guan)(guan)(guan)和(he)管(guan)(guan)(guan)板材料性質確(que)定不準確(que)或尺寸偏差較大的換熱(re)器(qi)，建(jian)議先進行脹(zhang)接(jie)(jie)工藝試(shi)驗，以獲得脹(zhang)接(jie)(jie)的可靠(kao)性。為了降(jiang)低脹(zhang)接(jie)(jie)成本，應選用尺寸精度等級較高的換熱(re)管(guan)(guan)(guan)，盡(jin)量減小(xiao)管(guan)(guan)(guan)子和(he)管(guan)(guan)(guan)板之間的間隙。
⑥. 有限元模擬和理論計算結果都顯(xian)示，142MPa的脹(zhang)接(jie)力不(bu)能(neng)滿足換熱管和管板密(mi)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
①. 應嚴格控制耐壓試驗用水(shui)(shui)和生產用水(shui)(shui)中氯離子和硫的(de)含(han)(han)量，定期檢測廢熱鍋爐的(de)進水(shui)(shui)和排污水(shui)(shui)中氯離子和硫的(de)含(han)(han)量。
②. 盡量(liang)減(jian)少停車。裝置(zhi)停車時(shi)，要排(pai)凈(jing)鍋(guo)爐水，保證設備處在干燥狀(zhuang)態。避免出(chu)現干濕交替狀(zhuang)態。
③. 設(she)備在進行修復時(shi)或制造下一臺(tai)設(she)備時(shi)，適當增加脹接力(li)，保證(zheng)貼脹質量，消(xiao)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(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(xiu)復(fu)方案：對新(xin)投(tou)用廢鍋的管子-管板連(lian)接(jie)處(chu)進行補脹(zhang)；對已泄(xie)漏廢鍋的管子-管板連(lian)接(jie)處(chu)進行鉆取(qu)管束(shu)，然(ran)后將管束(shu)前移，重新(xin)焊(han)脹(zhang)。
