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        換熱器管板應(yīng)力開裂問題分析

        2011-04-14 22:31:21郭莉
        山東冶金 2011年4期
        關(guān)鍵詞:加強筋管板壁板

        郭莉

        (濟鋼集團國際工程技術(shù)有限公司,山東 濟南 250101)

        換熱器管板應(yīng)力開裂問題分析

        郭莉

        (濟鋼集團國際工程技術(shù)有限公司,山東 濟南 250101)

        某鋼廠固定管板式換熱器換熱管與箱體管板焊縫多次出現(xiàn)開裂泄漏,復(fù)合管板存在分層現(xiàn)象,分析表明,原因為換熱管與箱體壁板之間在開停車時的溫差應(yīng)力過大引起,熱應(yīng)力引起裂紋。從工藝操作上盡量減小開停車時換熱器冷熱側(cè)介質(zhì)的溫差,采用換熱器管板下浮動技術(shù),通過加設(shè)膨脹節(jié),避免了應(yīng)力開裂。

        換熱器管板;溫差應(yīng)力;腐蝕開裂

        某鋼廠大型固定管板式換熱器投運1 a后,換熱器管板角焊縫多次出現(xiàn)泄漏情況,管板的復(fù)合層和基層有局部脫離的情況。換熱器管板兩端漏點較多,管板復(fù)合層和基層分離的部位在中間。通過查看現(xiàn)場,發(fā)現(xiàn)泄漏點是在換熱管與管板連接的焊縫處。換熱器泄漏造成了脫硫項目的非正常停車,給生產(chǎn)和環(huán)保帶來極大的壓力。分析換熱器管板角焊縫泄漏的原因,通過加設(shè)膨脹節(jié),合理調(diào)整開停車制度,成功避免了應(yīng)力開裂的出現(xiàn)。

        1 開裂原因分析

        可能造成換熱器管板角焊縫產(chǎn)生泄漏問題的原因有:1)熱應(yīng)力引起的裂紋;2)下管板脹接段出現(xiàn)腐蝕性漏點;3)翅片管在焊制過程中產(chǎn)生的對管壁的熔透性缺陷;4)換熱管自身或成型過程形成的缺陷;5)應(yīng)力腐蝕引起的焊縫開裂。由于該換熱器在項目投運后,短期內(nèi)出現(xiàn)過管板角焊縫泄漏的情況,對該區(qū)泄漏的換熱管角焊縫實施了補焊。此次出現(xiàn)泄漏,對照以上可能出現(xiàn)泄漏問題的原因,排除其他原因的可能性,認為熱應(yīng)力引起裂紋的可能性最大。

        熱應(yīng)力導(dǎo)致?lián)Q熱管角焊縫開裂的原因:1)制造過程中焊條選用不合適;2)該換熱管角焊縫焊角高度不夠;3)溫差應(yīng)力大于焊縫許用應(yīng)力。該設(shè)備作為項目重要工藝設(shè)備,在制造過程中實施了全過程監(jiān)制,故前2個原因造成焊縫開裂的可能性極小。通過查閱管板換熱器的運行記錄,發(fā)現(xiàn)換熱器的煙氣側(cè)存在長時間超溫運行情況。結(jié)合現(xiàn)場情況,發(fā)現(xiàn)靠壁側(cè)換熱管變形嚴重,確認超溫引起的換熱管溫差應(yīng)力過大是主要原因。換熱器管板兩端漏點較多,管板復(fù)合層和基層分離的情況出現(xiàn)在中間,進一步證明了換熱器換熱管與箱體壁板之間的溫差應(yīng)力存在過大的可能。

        換熱器壁板的加強筋尺寸為110 mm×55 mm×10 mm,貫通上下管板,外至保溫層。分析認為,該加強筋嚴重限制了箱體壁板與換熱管之間的同步膨脹,造成了局部管板與換熱管的強力拉脫現(xiàn)象,形成泄漏。按照GB 151-1999(鋼制管殼式換熱器)關(guān)于對復(fù)合管板的規(guī)定,換熱管與管板之間的連接結(jié)構(gòu)應(yīng)該采用復(fù)合層和基層都開槽的形式,然后采用強度脹加強度焊連接的方式。此換熱器復(fù)合管板的基層和復(fù)合層上沒有開槽,也沒有采用強度脹,而是采用貼脹加強度焊的連接方式,不符合標準規(guī)定要求。

        為進一步確定溫差應(yīng)力對管板角焊縫的應(yīng)力影響程度,對上述結(jié)構(gòu)的模型進行了運行狀態(tài)下不同溫差的膨脹量計算。通過模擬正常開車、常溫運行和突然停車時的參數(shù),計算出換熱管和無加強筋壁板的膨脹量之差。從計算數(shù)據(jù)看,使換熱管和壁板產(chǎn)生最大膨脹應(yīng)力的情況,正是在突然開車和停車的情況下產(chǎn)生的。而換熱器正常運行時,換熱管與壁板的膨脹差近乎可以忽略。產(chǎn)生該現(xiàn)象的原因是,100℃時不銹鋼的線膨脹系數(shù)為16.84×10-6℃-1,而碳鋼的線膨脹系數(shù)為10.76×10-6℃-1。對自然膨脹量的計算結(jié)果同時表明,不銹鋼換熱管在管壁最高溫度為120℃時,其自然膨脹量達到8 mm,若碳鋼壁板在加強筋的作用下不能同步膨脹,則兩者的膨脹差遠超過計算的最大結(jié)果。該計算結(jié)果表明,開、停車時的升溫、降溫速率會直接影響溫差應(yīng)力的大小。

        2解決方案

        首先,從工藝操作上盡量減小開停車時換熱器冷熱側(cè)介質(zhì)的溫差。根據(jù)溫差應(yīng)力的計算結(jié)果,在開車升溫時,換熱管內(nèi)冷側(cè)液體和煙側(cè)的溫差不要超過20℃;停車降溫時,煙道煙氣和換熱管內(nèi)胺液之間的溫差不超過10℃。由于冷側(cè)液體和熱側(cè)煙氣溫度都有儀表數(shù)字顯示,所以從實際操作方面,實現(xiàn)溫差控制是可行的。

        其次,從根本上解決溫差應(yīng)力問題的存在,即大型設(shè)備的熱補償與穩(wěn)定技術(shù)的平衡問題。在經(jīng)過反復(fù)核算后,采用了在大型設(shè)備上很少采用的浮動膨脹加框架穩(wěn)定結(jié)構(gòu)技術(shù)。計算浮動端設(shè)備重量載荷、持液量引起的下浮動端載荷,均布到換熱管之后,對單根換熱管產(chǎn)生的應(yīng)力非常小,可以忽略不計。決定采用換熱器管板的下浮動技術(shù),即將下端管板附近箱體斷開,加設(shè)膨脹節(jié)。受拉載荷為下部管板、封頭、配管及持液靜載荷。該載荷分布到所有換熱管上的均布載荷較小,使上、下管板的角焊縫均承受輕微的拉應(yīng)力,該方案有效保護了復(fù)合管板的復(fù)合層與基層不分離。加設(shè)膨脹節(jié)后,浮動端箱體承受介質(zhì)橫向沖擊載荷的能力降低,可能會加劇管束振動。為此,從換熱器的耳座向上,用型鋼延伸形成自由立柱,與箱體內(nèi)2層內(nèi)部支撐板連接,使箱體形成一個穩(wěn)定的框架結(jié)構(gòu),消除了箱體的振動。

        3 改進效果

        本次改造從結(jié)構(gòu)上徹底消除了換熱器殼體和換熱管內(nèi)的溫差應(yīng)力,同時從操作上減小了開停車過程中冷熱側(cè)流體的溫差,規(guī)避大溫差形成的操作條件,設(shè)備運行的可靠性得到提高。該固定管板換熱器經(jīng)過以上改造后,于2009年8月運行投產(chǎn),2 a來沒再出現(xiàn)過換熱管角焊縫泄漏的情況。

        TK172

        B

        1004-4620(2011)04-0080-01

        2011-05-23

        郭莉,女,1970年生,1992年畢業(yè)于山東建筑大學建筑環(huán)境與設(shè)備工程專業(yè)?,F(xiàn)為濟鋼集團國際工程技術(shù)有限公司工程師,從事暖通設(shè)計工作。

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