趙立震

（南通中遠海運川崎船舶工程有限公司，江蘇南通 226005）

0 引言

船舶主機缸套水加熱器屬固定管板式換熱器，工作原理是淡水從入口進入殼體，沿銅管外和擋板間流動。同時，蒸汽從端蓋入口進入銅管內(nèi)運動，兩種介質(zhì)在完全接觸管道后會得到熱交換，然后從出口排出。從蒸汽中釋放出的熱量被淡水不斷地帶走，淡水被加熱到所需溫度，用于暖缸以防止主機缸套產(chǎn)生熱應(yīng)力而損壞。分析主機缸套水加熱器滲漏原因并提出對策。

1 故障現(xiàn)象

某輪缸套水加熱器內(nèi)部銅管斷裂漏水，檢查發(fā)現(xiàn)多根銅管斷裂，其中部分?jǐn)嘣谡羝M口，部分?jǐn)嘣谡羝隹?。銅管斷裂位置距離管頭（14～16）mm。臨時將漏的管子用悶頭塞住，如圖1 所示。在港口將斷裂的銅管全部換新，更換完畢后進行水壓試驗，未發(fā)現(xiàn)滲漏。

2 原因分析

2.1 脹管質(zhì)量問題

由于殼管式熱交換器安裝銅管時，銅管兩端使用脹管工藝，脹管導(dǎo)致銅管兩端存在部分應(yīng)力用來密封銅管和孔板。熱交換器工作時，如果因脹管質(zhì)量問題引發(fā)銅管斷裂，會在應(yīng)力集中處斷裂。廠家的脹管工藝符合GB/T 151—2014 和美國熱交換器TEMA 標(biāo)準(zhǔn)的要求，該廠家具有豐富的殼管式熱交換器生產(chǎn)經(jīng)驗，可以很好的控制脹管施工質(zhì)量，有供多個船廠的數(shù)百臺缸套水加熱器的實績，很少出現(xiàn)類似問題?？梢曰九懦龔S家脹管質(zhì)量問題。

2.2 銅管內(nèi)蒸汽流速過高

據(jù)了解，當(dāng)銅管內(nèi)部蒸汽流速＞10 m/s 時，銅管內(nèi)部會形成湍流引起銅管振動。長時間的振動，可能導(dǎo)致銅管疲勞斷裂。缸套水加熱器設(shè)計工況是蒸汽流量為1276 kg/h，對應(yīng)管束內(nèi)蒸汽流速4.36 m/s。按廠家提供的信息，如果蒸汽流速＞10 m/s，將會引起銅管頻繁振動。從實際加熱情況和疏水器容量1300 kg/h分析，蒸汽流速不會超過10 m/s。但在蒸汽閥開啟瞬間，由于缸套水加熱器管側(cè)無壓力，蒸汽瞬時速度可能會＞10 m/s。因此正常使用時基本無損壞可能，但不能排除開啟蒸汽時損壞的可能，需要注意，確保開啟瞬間流速不會過快。

圖1 將漏的管子用悶頭塞住

2.3 銅管受水流沖擊引起疲勞斷裂

當(dāng)?shù)M入加熱器內(nèi)部時，由于銅管的阻擋，水流向不規(guī)律變化，引起銅管受力頻繁變化，長時間的受力變化，會導(dǎo)致銅管疲勞斷裂。當(dāng)缸套水遇到銅管的阻擋發(fā)生不規(guī)律變化時，銅管受力變形比較嚴(yán)重，是銅管疲勞斷裂的可能原因之一。

2.4 斷裂銅管失效分析

取斷裂銅管樣品進行分析，沿縱截面有缺陷處和無缺陷處各取1 個樣品進行顯微組織觀察，2 個試樣高倍組織均為α 單相再結(jié)晶組織，晶粒大小沒有明顯區(qū)別。其中有缺陷試樣高倍外表面有圓形缺口，缺口是環(huán)狀缺陷在縱向截面高倍組織顯現(xiàn)，缺口處周圍有少量組織變形，因此認(rèn)為環(huán)狀斷裂為外力所至，為疲勞斷裂（可能由水流或汽流引起），并非材料本身的缺陷。

2.5 安裝加熱器時管子對中不良

加熱器安裝時管子對中不良，造成加熱器受力，使內(nèi)部銅管一直受力，直至疲勞斷裂?；蛘唠m然安裝時對中良好，但受熱后膨脹不均勻，造成加熱器擠壓或者拉伸，使內(nèi)部銅管受力產(chǎn)生疲勞斷裂。據(jù)了解，該處管子沒有使用合攏管，且該輪拆裝時曾發(fā)現(xiàn)最后一根管的管口連接處間隙有20 mm。因此，不排除對中不良問題是斷裂原因之一。

2.6 主機等設(shè)備振動使銅管疲勞斷裂

主機等設(shè)備在高速運轉(zhuǎn)時，船舶結(jié)構(gòu)振動較大，可能引起加熱器振動，導(dǎo)致內(nèi)部銅管產(chǎn)生疲勞斷裂。對該輪在航行中的振動情況進行測量無異常，排除此因素。

2.7 溫升速率過快造成銅管斷裂

加熱時溫升速率過快，熱應(yīng)力造成管子斷裂。缸套水系統(tǒng)內(nèi)部水保有量10 m3左右，40 min 上升30 ℃?？赡苄圆荒芘懦柽M一步研究。

2.8 通水通汽順序不正確而干燒銅管

缸套水加熱器正常使用時，正常做法是先通缸套淡水，再通蒸汽。如果誤操作，先通蒸汽會導(dǎo)致內(nèi)部銅管干燒，銅管溫度上升很高，冷水瞬時進入加熱器內(nèi)部，會導(dǎo)致銅管迅速收縮，將銅管的兩端拉斷。

從銅管的材料報告可以看出，廠家使用銅管的延伸率為69.5%，如果是拉斷的話，銅管的斷口處管壁應(yīng)變薄，實際測量斷口處銅管壁厚與圖紙的1.2 mm 壁厚基本一致。按照廠家的要求，已對相關(guān)人員進行了培訓(xùn)，現(xiàn)場人員對缸套水加熱器的操作比較熟悉，且廠家為防止此類情況再次發(fā)生，已在加熱器上安裝了警示標(biāo)牌。因此，基本排除通水通汽順序不正確干燒銅管的可能。

3 解決和防范對策

分析缸套水加熱器銅管斷裂原因，認(rèn)為造成銅管斷裂的因素不止一個，而是多個因素共同作用下造成，制定解決防范對策。

3.1 監(jiān)督加熱器管板安裝和脹管過程

對廠家缸套水加熱器管板安裝和脹管過程進行監(jiān)督，嚴(yán)格把控質(zhì)量關(guān)。

3.2 加厚進水銅管和在淡水進口側(cè)增加擋板

將加熱器進水管前5 排銅管更換為加厚的銅管，即將原1.2 mm 壁厚的銅管改為1.5 mm 壁厚的銅管；在加熱器淡水進口側(cè)增加擋板，以減少水流沖擊，減小銅管的受力。

3.3 安裝過程中加熱器不受管子的異常拉伸和擠壓

確保安裝和使用過程中加熱器不受連接管子的異常拉伸和擠壓，安裝時確保管子對中良好，在與加熱器連接的管路處使用合攏管。

3.4 防范加熱器通水通汽順序錯誤

雖然廠家在加熱器上安裝了警示標(biāo)牌，但仍需提醒船員每次使用缸套水加熱器前，將加熱器上部的放氣考克閥打開，檢查內(nèi)部是否充滿水，防止加熱器上方有空氣存在，導(dǎo)致銅管干燒。

3.5 注意加熱器開關(guān)閥門的方式

缸套水加熱器蒸汽進口設(shè)有調(diào)節(jié)針閥，打開針閥時，開度應(yīng)由小到大緩慢開啟，防止突然開啟，高壓蒸汽瞬間進入加熱器內(nèi)部，導(dǎo)致銅管振動。缸套水加熱器在正常航行或非暖缸狀態(tài)時，將進出口閥關(guān)閉，旁通閥打開。需要暖缸時，將缸套水加熱器進出口閥打開，旁通閥關(guān)閉。防止航行時內(nèi)部銅管長時間受力頻繁變化對加熱器的影響。

3.6 控制缸套水加熱器的進水量

由于實際加熱的淡水量遠低于設(shè)計量，可提醒船員使用加熱器時打開缸套水旁通閥，減小加熱器進水量，同時減小蒸汽閥開度，能達到換熱效果即可。