梁 鵬 楊云雨 南京市鍋爐壓力容器檢驗研究院

內(nèi)盤管接管泄漏成因及改進

梁 鵬 楊云雨 南京市鍋爐壓力容器檢驗研究院

對反應(yīng)釜內(nèi)盤管接管處發(fā)生泄漏的原因進行了探討，通過入釜檢查和有限元分析，確認了該處由于局部應(yīng)力集中導(dǎo)致角焊縫出現(xiàn)微小開裂，并結(jié)合該釜結(jié)構(gòu)特點和工況對其改進方法進行了討論。

內(nèi)盤管 接管角焊縫 應(yīng)力集中 改進方法

某化工廠一臺反應(yīng)釜（位號R-0104)，其產(chǎn)品是通過釜內(nèi)盤管中蒸汽提供的能量促進化學(xué)物料進行反應(yīng)所獲得。生產(chǎn)時發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)過程參數(shù)不穩(wěn)定，產(chǎn)品不合格導(dǎo)致報廢。經(jīng)驗分析推測是反應(yīng)釜在生產(chǎn)產(chǎn)品時有循環(huán)水從接管焊縫處泄漏進入反應(yīng)釜。為避免造成再次的生產(chǎn)事故，對其原因進行分析并整改[1]。

1 泄漏原因分析

1.1 釜內(nèi)盤管結(jié)構(gòu)

該反應(yīng)釜內(nèi)并列有12組φ60.3×5.6mm的蒸汽盤管，其下端與釜體下封頭部位焊接。每組盤管用3組導(dǎo)向支架固定在反應(yīng)釜筒體的墊板上(見圖1)，盤管最上端倒“U”形部分與φ21.3×3.6mm的接管進行焊接共同焊接接入最上端總接管內(nèi)，下部盤管作固定端。生產(chǎn)時需間斷地向盤管內(nèi)通入約200℃的飽和蒸汽(或冷卻水用于降溫)。設(shè)計者最初的設(shè)想是：上部盤管作移動端，盤管變形時可向上自由移動；保證蒸汽盤管直段上部為自由端以增加盤管彈性和柔性，減少了盤管受熱時因膨脹而產(chǎn)生的熱應(yīng)力。

圖1 盤管支架結(jié)構(gòu)

1.2 宏觀檢查結(jié)果

盤管材料為不銹鋼類，接管三通為挖耳三通(見圖2)，其部位切割后發(fā)現(xiàn)，支管與主管開孔部位錯位焊接(見圖3)，其內(nèi)外表面光滑，未見腐蝕或沖刷減薄現(xiàn)象；對焊接部位進行著色探傷，在蒸汽盤管直管段上部挖耳三通處的接管角焊縫根部處發(fā)現(xiàn)滲透劑被顯像劑吸附痕跡，放大鏡觀察發(fā)現(xiàn)有開口缺陷，泄漏性試驗進一步證實此處為穿透性開裂[2]。

圖2 挖耳三通

圖3 支管與主管開孔部位錯位

1.3 盤管結(jié)構(gòu)分析

盤管下部固定，受導(dǎo)向支架的約束，盤管只能做縱向移動，當(dāng)盤管底部通入蒸汽時，挖耳三通接管角焊縫處的應(yīng)力主要來自三個方面：一是管道受熱膨脹產(chǎn)生熱應(yīng)力，導(dǎo)向支架的約束作用使產(chǎn)生的熱應(yīng)力由管道自身全部作用到上部焊接接管上；二是盤管直徑大于總管，根據(jù)流體力學(xué)原理，管徑的縮小導(dǎo)致流速變大，造成總管內(nèi)壓變大，其壓力最終轉(zhuǎn)移上部焊接接管上；三是總管與盤管相連接的挖耳三通處 開孔錯位，導(dǎo)致蒸汽流動受阻，對總管造成縱向的沖擊，使三通角焊縫常處于拉伸狀態(tài)。由于工藝流程的需要，蒸汽內(nèi)盤管需間斷地通入蒸汽導(dǎo)致蒸汽內(nèi)盤管周期性地受熱膨脹和冷卻收縮。經(jīng)過一段時間運行后，最上部挖耳三通處，在熱疲勞的作用再加上接管焊接缺陷(沒有開坡口進行焊接)，最終導(dǎo)致挖耳三通接管角焊縫處產(chǎn)生裂紋或開裂。

1.4 挖耳三通有限元分析

● 1.4.1 有限元模型

為進一步論證上述推斷，了解接管處的受力狀況，采用有限元方法，建立挖耳三通接管模型，如圖4所示。因?qū)ΨQ性，為使提升計算速度，采用1/2模型，采用對稱約束的方法進行分析[3]。

圖4 挖耳三通有限元分析模型

● 1.4.2 邊界條件及載荷的施加

根據(jù)挖耳三通接管的受力狀態(tài)，在模型端部施加軸向位移約束，對稱面施加對稱約束，管道內(nèi)表面施加內(nèi)壓P=1MPa。

● 1.4.3 結(jié)果分析

經(jīng)計算后，挖耳三通接管的等效應(yīng)力（第一強度理論）如圖5所示，可見接管處的應(yīng)力主要集中在焊縫處，為進一步研究挖耳三通附近應(yīng)力分布狀況，取路徑bd,bac,be進行分析，結(jié)果如圖6～圖8所示。焊縫相關(guān)線b點應(yīng)力最大，同時集中程度很高，應(yīng)力集中系數(shù)為6.9。越靠近三通相貫線位置應(yīng)力越大，因此焊接時質(zhì)量要嚴格控制或選擇鑄造成型的三通。同時因該盤管只限制水平位移，豎直方向的移動會產(chǎn)生疲勞載荷，也容易造成焊縫處疲勞開裂。

圖5 三通等效應(yīng)力分布云圖

圖6 路徑bd應(yīng)力分布

圖7 路徑bac應(yīng)力分布

圖8 路徑be應(yīng)力分布

2 改進方法

對上述接管角焊縫處進行開孔補強或改用標(biāo)準(zhǔn)三通接頭，其兩側(cè)采用對焊連接，施焊方便，改善三通部位受力狀況。

3 重新開車前的注意問題

在R-0104反應(yīng)釜檢修工作(如焊渣清理、焊縫酸洗，管道試壓、管道復(fù)原等)完成后，使用時應(yīng)首先打開蒸汽管道上的閥門，通入少量蒸汽進行暖管，并打開蒸汽管上的疏水閥進行排水。因為在蒸汽接管焊接修復(fù)過程中產(chǎn)生了焊接應(yīng)力，如果不進行暖管而直接打開蒸汽閥門通入蒸汽，就會因溫度上升過快而造成管道局部應(yīng)力集中，導(dǎo)致管道出現(xiàn)新的變形甚至產(chǎn)生裂紋等現(xiàn)象。暖管時要控制蒸汽流量及暖管速度，注意調(diào)節(jié)蒸汽管閥門的開度，以防止因蒸汽流量過大而導(dǎo)致盤管溫升過快，并盡快排出蒸汽盤管內(nèi)的冷凝水。一般低壓暖管時，升壓速度為0.1MPa/min；升壓暖管時，升壓速度為0.5MPa/min[4]。暖管可消除或降低蒸汽盤管在修復(fù)過程中局部管段產(chǎn)生的部分附加應(yīng)力，以減少和避免蒸汽盤管在工作中受力不均和應(yīng)力集中的現(xiàn)象。

1 顧永泉.機械密封實用技術(shù).北京：機械工業(yè)出版社,2001

2 全國壓力容器標(biāo)準(zhǔn)化委員會.壓力容器無損檢測.北京：機械工業(yè)出版社,1998

3 楊寧祥,李惠榮.異徑焊制三通應(yīng)力的有限元分析.化工裝備技術(shù),2006,(05)：25－27

4 李三軍.關(guān)于優(yōu)化汽輪機起停操作的探討.廣東電力,2005, (5)：68－70

Discuss the cause of internal-coil leak in reaction kettle, through the on-site inspection into reaction kettle and f nite element analysis, conf rmed that there is a slight crack in angle seam due to local stress concentration, and discuss the improvement methods combining the reaction kettle’s structural features and working condition.

Internal-coil Pipe angle seam Stress concentration Improving methods

2013－07－31）