蔣啟明

（四川經(jīng)準特種設(shè)備檢驗有限公司 四川廣安 638500）

1 設(shè)備情況介紹

1.1 使用情況

合成氣壓縮機一段后冷卻器，其結(jié)構(gòu)形式為U形管式換熱器，臥式安裝，設(shè)備結(jié)構(gòu)如（圖1）示。容器的管程部件是于2016年1月投入運行，運行期間的負荷一般在55%～100%之間，工藝運行狀況較穩(wěn)定，但設(shè)備在運行十多天后工藝人員就發(fā)現(xiàn)有管程介質(zhì)向殼程泄漏的現(xiàn)象，隨即系統(tǒng)停車檢查，檢查結(jié)果發(fā)現(xiàn)有一根換熱管在管板處發(fā)生斷裂（見圖2），對該換熱器管束修復后作備用。2017年3月該管束再次投入運行，至2017年6月設(shè)備又發(fā)生同樣情況的泄漏現(xiàn)象，監(jiān)護運行至7月系統(tǒng)停車大修，對設(shè)備檢查后發(fā)現(xiàn)一根換熱管在折流板處發(fā)生斷裂（見圖3）。

圖1 設(shè)備結(jié)構(gòu)簡圖

圖2 2016年換熱管在管板處發(fā)生斷裂部位

圖3 2017年換熱管在折流板處發(fā)生斷裂部位

1.2 設(shè)備的技術(shù)特性（見表1、表2）

表1 設(shè)備相關(guān)工藝參數(shù)

表2 設(shè)備主體材料和規(guī)格

2 管束檢查情況

2.1 宏觀檢查

換熱管發(fā)生斷裂的部位分別在管板孔處和折流板管孔處，換熱管斷口都較平直，無明顯塑性變形（見圖4、圖5），同時發(fā)現(xiàn)該換熱管外壁粗糙并存在有點狀凹坑，通過顯微觀察凹坑深度達0.15mm左右（見圖6）。

圖4 2006年斷管管口

圖5 2009年斷管管口

圖6 換熱管微觀檢查 (放大倍數(shù)：×100）

2.2 化學成分分析

在斷裂的換熱管上取樣分析，分析結(jié)果：碳0.176%；硅0.184%；錳0.552%；磷0.0181%；硫0.013%。其化學成分符合GB/T9948-1988標準要求。

2.3 力學性能試驗

對發(fā)生斷裂的換熱管取樣進行力學性能試驗結(jié)果如下（見表3）：

表3 170-C換熱管力學性能試驗結(jié)果

2.4 顯微組織觀察

在換熱管斷口處取金相試樣，發(fā)現(xiàn)斷口處有疲勞裂紋，裂紋起源于管外表面凹坑處，裂紋主要是穿晶向管內(nèi)擴展（見圖7）。

從觀察的結(jié)果還發(fā)現(xiàn)換熱管顯微組織為鐵素體+珠光體，呈帶狀分布，屬不正常組織（見圖8），該換熱管交貨狀態(tài)應(yīng)為正火狀態(tài)，不應(yīng)出現(xiàn)帶狀組織。經(jīng)截取一段該換熱管重新正火（900℃）熱處理后制樣觀察，帶狀組織消除，組織為鐵素體+珠光體，晶粒細小，組織正常（見圖9）。這充分說明該換熱管冷拔成型后，未經(jīng)正火熱處理或雖經(jīng)熱處理但未達到預期效果。

圖7 斷口微觀形貌 (放大倍數(shù)：×100）

圖8 不正常的組織

圖9 正常的組織

3 問題的分析

3.1 從宏觀檢查結(jié)果分析

兩次斷裂的斷口都較平齊，且未見明顯的塑性變形，從宏觀上可初步判斷材料為脆性斷裂。

3.2 從換熱管的微觀檢查分析

裂紋起源于材料表面的點狀缺陷（凹坑），凹坑成為裂紋的發(fā)源處，斷裂部位在管板、折流板處，這些部位對換熱管有約束作用，會產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中。

3.3 從工藝狀況分析

該設(shè)備在操作中并無超溫、超壓及其他異常工藝情況出現(xiàn)，設(shè)備在出現(xiàn)故障時先是發(fā)現(xiàn)有泄漏，后表現(xiàn)為段間壓力突然下降，可以判定是由于泄漏量在短時間內(nèi)突然增大造成。

根據(jù)以上的分析，雖然材料的化學成分和機械性能測試滿足要求，但對于疲勞破壞來說材料在交變載荷作用下尤其在高頻率交變載荷的作用下，斷裂的應(yīng)力值遠小于材料的抗拉強度σb，還常常小于靜載下的屈服點σS，且破壞只可能在有使材料分離扯開的交變拉伸和交變切應(yīng)力的情況下出現(xiàn)，裂紋起源往往位于高應(yīng)力區(qū)或有缺陷的部位。所以，我們認為換熱管的斷裂性質(zhì)符合疲勞斷裂的特性，其交變應(yīng)力的產(chǎn)生來至設(shè)備運行過程中介質(zhì)流動導致?lián)Q熱管的震動和管板、折流板對換熱管的約束。換熱管外表面存在的凹坑使局部應(yīng)力集中，凹坑底部愈尖銳，應(yīng)力越集中越嚴重，這些表面的缺陷也導致了換熱管疲勞強度的降低，從而使之成為裂紋的發(fā)源地。換熱管在交變應(yīng)力的作用下，尤其在應(yīng)力集中部位（管板、折流板、凹坑處）開裂、擴展、并導致最后的突然斷裂，這與工藝狀況的表現(xiàn)是相一致的。

另外，材料的組織狀態(tài)是產(chǎn)生裂紋的又一因素。因帶狀組織的存在，使材料在縱向和橫向的機械性能產(chǎn)生較大差異，帶狀組織對換熱管縱向力學性能影響不大，但對換熱管橫向力學性能有很大影響，大大降低了換熱管在橫向上的強度、塑性和韌性，因而導致了換熱管疲勞強度的降低。

換熱管表面點狀缺陷產(chǎn)生的原因有兩種可能：①制造質(zhì)量問題；②使用中由于介質(zhì)的腐蝕而造成。

4 管束修理辦法

4.1 堵管

對已斷裂的換熱管采用常規(guī)的堵管、點焊處理（見圖10），殼程1.0MPa水壓試驗合格。

圖10 堵管部位

4.2 采用防震措施

消除換熱管在運行過程中的震動可使構(gòu)件免受疲勞載荷的作用，是避免產(chǎn)生疲勞破壞的有效措施之一。目前針對避免因換熱管在運行過程中震動而導致破壞的手段較多，主要是在設(shè)計結(jié)構(gòu)方面進行改進。就該換熱器而言可采取一定的改進措施，在換熱管管束尾端安裝一組不銹鋼防震條，將每一根鋼條分別插入換熱管管間（見圖11），并將每根鋼條連接和固定，達到對管束進行固定以減小或消除換熱管在運行中產(chǎn)生的震動的可能，從而避免換熱管在運行中發(fā)生疲勞斷裂，可延長管束的運行壽命。

圖11 實際安裝情況

5 結(jié)束語

在找出設(shè)備出現(xiàn)問題的原因后，采取相應(yīng)處理措施使該換熱器的運行狀況得以大幅度改善。因此，在對不同結(jié)構(gòu)換熱器的設(shè)計中如對核心部件管束采用相應(yīng)的防震結(jié)構(gòu)對設(shè)備的正常運行，減少或避免因此而造成的設(shè)備故障是行之有效的。