時(shí)傳興，尹高雷，趙鵬鵬

(山東華魯恒升化工股份有限公司，山東德州 253000)

0 引言

近年來(lái)，我國(guó)大型氨合成裝置陸續(xù)投產(chǎn)，隨著單套裝置產(chǎn)能的擴(kuò)大，裝置設(shè)備參數(shù)不斷加大[1]。水冷器是氨合成裝置的關(guān)鍵設(shè)備之一，其安全性能關(guān)系到整套裝置的平穩(wěn)運(yùn)行。某公司年產(chǎn)60萬(wàn)噸氨合成裝置于2018年投產(chǎn)，該裝置水冷器在試運(yùn)行(管程氮?dú)庠噳籂顟B(tài)，殼程介質(zhì)為循環(huán)水，流量為 1 700 m3/h)時(shí)，發(fā)現(xiàn)管殼程有連通現(xiàn)象,經(jīng)殼程水壓試驗(yàn)，確認(rèn)有1根換熱管出現(xiàn)泄漏，經(jīng)內(nèi)窺鏡檢查，發(fā)現(xiàn)靠近殼程冷卻水入口處有1根換熱管發(fā)生斷裂，斷裂位置位于換熱管脹管的起脹處，隨后將斷裂的換熱管進(jìn)行了堵管處理。設(shè)備正式投入運(yùn)行3個(gè)多月后，發(fā)現(xiàn)換熱器內(nèi)部異響，停車(chē)拆檢后，確定靠近第1次斷裂管的另1根換熱管也發(fā)生了斷裂現(xiàn)象，與第1根換熱管不同的是，該換熱管的斷裂位置位于換熱管與殼程的換熱管板根部。水冷器參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 設(shè)備主要技術(shù)參數(shù)

由于換熱管斷裂位置位于管板內(nèi)部和管板根部，與常見(jiàn)的換熱管在折流板處斷裂位置不同，且有一個(gè)換熱管斷裂位置位于換熱管脹管的起脹處。根據(jù)換熱管斷裂的位置和基本特點(diǎn)，換熱管斷裂的原因有可能是換熱管自身缺陷、換熱管過(guò)脹或者換熱管振動(dòng)疲勞斷裂造成的。通過(guò)查閱相關(guān)文獻(xiàn)和案例[2-8],發(fā)現(xiàn)文獻(xiàn)[2]中換熱管因振動(dòng)造成的斷裂失效與文中水冷器換熱管斷裂失效特點(diǎn)類(lèi)似，但是并沒(méi)有提供換熱管振動(dòng)分析判據(jù)，理論支持不足；文獻(xiàn)[3-4]中雖然提供了換熱管因流體誘發(fā)振動(dòng)造成斷裂的相關(guān)理論，但是沒(méi)有針對(duì)性的工程實(shí)例，且提供的預(yù)防措施針對(duì)性不足，無(wú)法為本案例提供有力的解決方案。因此，該水冷器換熱管斷裂失效需要通過(guò)檢驗(yàn)檢測(cè)和斷裂失效分析進(jìn)一步判斷原因，針對(duì)性地提出相關(guān)措施加以預(yù)防。

1 取樣宏觀檢查

對(duì)斷裂換熱管進(jìn)行了取樣(見(jiàn)圖1)，第1次斷裂的換熱管編號(hào)為 1#樣品，第2次斷裂的換熱管編號(hào)為2#樣品。

圖1 換熱管取樣

分別對(duì)1#樣品和2#樣品內(nèi)外壁進(jìn)行宏觀檢查，斷口外觀形貌見(jiàn)圖2。1#樣品外壁局部有碰撞變形痕跡，其外壁圓弧面已磨成平面(圖中箭頭所指處)，內(nèi)壁有較厚的結(jié)垢物，由于該根管子斷裂后一直放置在設(shè)備內(nèi)未取出，導(dǎo)致斷裂管內(nèi)結(jié)了大量的水垢。2#樣品內(nèi)外壁未見(jiàn)有明顯的腐蝕及結(jié)垢現(xiàn)象。

圖2 換熱管斷面宏觀形貌

2 換熱管檢驗(yàn)檢測(cè)分析

2.1 鐵磁相測(cè)定

分別對(duì)換熱管1#，2#樣品進(jìn)行了鐵磁相含量測(cè)量：將1#樣品軸向方向分為5段(編號(hào)為1,2,3,4,5)，在5個(gè)分段的樣品徑向0°,90°,180°,270°四個(gè)方向進(jìn)行測(cè)定；由于取樣品時(shí)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)空間受限，2#樣品取樣較短，將2#樣品軸向方向分為3段(編號(hào)為1,2,3)，在3個(gè)分段的樣品徑向0°,90°,180°,270°四個(gè)方向進(jìn)行測(cè)定，測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表2。結(jié)果表明，1#，2#樣品測(cè)試部位鐵磁相含量基本正常。

表2 鐵磁相含量 %

2.2 力學(xué)性能

對(duì)斷裂的換熱管樣品進(jìn)行了拉伸試驗(yàn)以及硬度(HV)測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明,換熱管樣品力學(xué)性能指標(biāo)均符合標(biāo)準(zhǔn)[9-11]要求，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3,4。

表3 拉伸試驗(yàn)結(jié)果

表4 硬度(HV)試驗(yàn)結(jié)果

2.3 化學(xué)成分

對(duì)斷裂的換熱管樣品進(jìn)行了化學(xué)成分分析，測(cè)試結(jié)果表明，換熱管的化學(xué)成分指標(biāo)符合標(biāo)準(zhǔn)[12]要求，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 化學(xué)成分分析結(jié)果 %

2.4 金相組織

對(duì)1#,2#樣品進(jìn)行金相分析，其金相組織見(jiàn)圖3,4，屬正常的奧氏體組織，晶粒度為5級(jí)，符合標(biāo)準(zhǔn)[13-14]要求。

圖3 1#樣品金相組織

圖4 2#樣品金相組織

2.5 宏觀斷口分析

1#樣品斷口相對(duì)較平整，隱約可見(jiàn)有放射狀紋路，按放射紋路收斂方向可判斷斷口的啟裂部位應(yīng)位于管子的外壁,如圖5(a)所示，箭頭所示位置為收斂點(diǎn)。2#樣品斷口高低不平，有較多的臺(tái)階，斷口上有一個(gè)相對(duì)陳舊的斷面區(qū)域(見(jiàn)圖5(b))，箭頭所示位置為裂紋形貌，該區(qū)域應(yīng)為最先啟裂的。從該區(qū)域的內(nèi)外壁長(zhǎng)度判斷啟裂點(diǎn)也應(yīng)位于管子外壁。

圖5 斷口宏觀形貌

2.6 微觀斷口分析

用掃描電鏡對(duì)清洗后的斷口進(jìn)行觀察。1#樣品斷口微觀形貌見(jiàn)圖6，啟裂部位附近明顯有被擠壓的痕跡，其他區(qū)域均觀察到清晰的疲勞輝紋，具有典型的疲勞斷口特征。2#樣品斷口微觀形貌見(jiàn)圖7，斷面部位疲勞輝紋清晰。

圖6 1#樣品斷口微觀形貌

圖7 2#樣品斷口微觀形貌

3 換熱管振動(dòng)分析

由斷口分析可知，換熱管斷裂處發(fā)現(xiàn)疲勞輝紋，斷口存在典型的疲勞斷裂特征，啟裂位置均在換熱管外壁處。在換熱管拆檢過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)換熱管與管板管孔存在縫隙。換熱管斷裂的啟裂處均位于換熱管外壁，且換熱管斷裂均發(fā)生在換熱管脹管的起脹和管板根部(終止脹接的臨近位置)。換熱管在該位置受到高應(yīng)力作用，屬于應(yīng)力集中區(qū)域[15]。換熱管加工過(guò)程中外壁光潔度不足、換熱管穿管過(guò)程中與管板摩擦、換熱管外壁在脹接過(guò)程中變形等都有可能造成換熱管外壁損傷。上述原因造成換熱管外壁表面沿晶粒方向的溝槽，進(jìn)而造成外壁表面的裂紋起源。在高應(yīng)力作用下?lián)Q熱器屈服引起疲勞損傷，換熱管振動(dòng)進(jìn)一步造成裂紋擴(kuò)展，最終導(dǎo)致?lián)Q熱管斷裂。

基于上述分析，可以判斷換熱管斷裂失效是由振動(dòng)引起的疲勞造成的，后面用振動(dòng)分析加以證明。在管殼式換熱器的殼程中，流體橫向流過(guò)管束時(shí)，流體誘發(fā)振動(dòng)主要有4種原因：卡門(mén)漩渦激振、湍流抖振、流體彈性不穩(wěn)定、聲振動(dòng)。GB/T 151—2014《熱交換器》附錄C中，當(dāng)氣體或者蒸汽進(jìn)入換熱器殼程后，聲學(xué)駐波頻率與卡門(mén)漩渦頻率或湍流抖振主頻率一致時(shí)，才發(fā)生聲振動(dòng)，由于水冷器介質(zhì)為循環(huán)水，所以不存在聲振動(dòng)發(fā)生的可能。

當(dāng)流體橫向流過(guò)傳熱管時(shí)，管子背面會(huì)產(chǎn)生卡門(mén)渦街[16]。隨著卡門(mén)渦街的交替產(chǎn)生和脫落，使管子的兩側(cè)產(chǎn)生垂直于流動(dòng)方向周期性變化的激振力，傳熱管受到力的作用而發(fā)生振動(dòng)。當(dāng)漩渦脫落頻率等于或接近于傳熱管固有頻率時(shí)，管子發(fā)生共振?？ㄩT(mén)漩渦激振發(fā)生判據(jù):當(dāng)卡門(mén)漩渦頻率fv與換熱管最低固有頻率f1[17]之比大于0.5和換熱管最大振幅ymax1大于0.02倍的換熱管外徑(19 mm)，即ymax1=0.38 mm時(shí)可引起管束卡門(mén)漩渦激振?？ㄩT(mén)旋渦頻率計(jì)算公式：

(1)

式中St——斯特羅哈數(shù)，無(wú)因次，可根據(jù)換熱管節(jié)徑比S/do查GB/T 151—2014附錄C圖表；

S——換熱管中心距，m；

do——換熱管外徑，m；

V——橫流速度,根據(jù)換熱管管間的最小自由截面計(jì)算，m/s。

橫向穿過(guò)管束的流體產(chǎn)生的湍流會(huì)使管子表面的流場(chǎng)壓力產(chǎn)生隨機(jī)性脈動(dòng)，從而使管子產(chǎn)生振動(dòng)。當(dāng)湍流脈動(dòng)的主頻率與管子的固有頻率相近或相等時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生共振。湍流抖振[18]發(fā)生判據(jù)：當(dāng)湍流抖振頻率ft與換熱管最低固有頻率f1之比大于0.5或換熱管最大振幅ymax2大于0.02倍的換熱管外徑(19 mm)，即ymax2=0.38 mm時(shí)可引起管束湍流抖振。湍流抖振的計(jì)算公式：

(2)

式中l(wèi)——縱向換熱管中心距，m；

T——橫向換熱管中心距，m。

流體彈性不穩(wěn)定是動(dòng)態(tài)的流體力與管子的運(yùn)動(dòng)相互作用的結(jié)果。當(dāng)流體彈性力對(duì)管子所做的功大于管束阻尼所消耗的功時(shí)，管子將產(chǎn)生大振幅的振動(dòng)。流體彈性振動(dòng)[19]發(fā)生判據(jù)：當(dāng)介質(zhì)流體橫流速度V大于臨界橫流速度Vc時(shí)，可引起管束發(fā)生流體彈性振動(dòng)。臨界橫流速度計(jì)算公式：

(3)

其中：

(4)

式中Kc——比例系數(shù)，根據(jù)查GB/T 151—2014附錄C計(jì)算；

fn——換熱管固有頻率，Hz；

δs——質(zhì)量阻尼參數(shù)，無(wú)因次；

b——指數(shù)，查GB/T 151—2014附錄C；

m——單位換熱管的質(zhì)量，kg；

δ——換熱管的對(duì)數(shù)衰減率，無(wú)因次；

ρo——?dú)こ塘黧w的密度，kg/m3。

文中換熱器為等跨直管結(jié)構(gòu)，在管板端為固定支承，在折流板處為簡(jiǎn)支，換熱管固有頻率為：

(5)

式中λn——頻率常數(shù);

n——振型的階數(shù)；

E——材料的彈性模量，MPa；

di——換熱管內(nèi)徑，m；

l——換熱管支撐板間跨距，m。

根據(jù)換熱器的結(jié)構(gòu)尺寸、流體流速等相關(guān)參數(shù)，以及上述計(jì)算模型，分別對(duì)可能存在的振動(dòng)部位(殼程冷卻水進(jìn)口、第1塊換熱管支持板與折流板之間)的換熱管在設(shè)計(jì)工況、氣密工況、運(yùn)行工況進(jìn)行了振動(dòng)計(jì)算，振動(dòng)計(jì)算結(jié)果如表6所示。

表6 換熱管振動(dòng)計(jì)算結(jié)果

水冷器換熱管在設(shè)計(jì)工況、試運(yùn)行工況及正常操作工況下殼程冷卻水入口、支持板與折流板間會(huì)發(fā)生卡門(mén)漩渦激振、湍流抖振和流體彈性振動(dòng)，通常發(fā)生流體彈性振動(dòng)換熱管更易損傷[20]。換熱管由于貼脹變形所引起的應(yīng)力在換熱管伸入管板的根部最大，使得該處的換熱管有斷裂的可能。外排 U形彎管具有較低的固有頻率，對(duì)于流體誘導(dǎo)振動(dòng)的破壞更加敏感。接管的進(jìn)出口區(qū)域由于流場(chǎng)復(fù)雜，在受限制的區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生局部的高速度，導(dǎo)致該處的換熱管更易振動(dòng)損壞。

4 分析結(jié)果與對(duì)策

通過(guò)檢驗(yàn)檢測(cè)和振動(dòng)分析計(jì)算，可得出如下結(jié)論：換熱管的化學(xué)成分、拉伸性能及硬度均滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求；換熱管的金相組織正常，1#樣品內(nèi)壁存在輕微的垢下腐蝕；1#， 2#樣品的斷口均表現(xiàn)出典型的疲勞斷裂特征；斷口表面腐蝕產(chǎn)物中主要有氧、氯和硫等元素存在；殼程水垢主要為 CaCO3和 CaSO4等。振動(dòng)計(jì)算結(jié)果表明，在設(shè)計(jì)、試運(yùn)行及正常操作工況下，殼程冷卻水入口、第1塊支持板與折流板間存在管束振動(dòng)的可能，進(jìn)而可導(dǎo)致?lián)Q熱管疲勞破壞，其中流體彈性振動(dòng)對(duì)換熱管的損傷更大。

GB/T 151—2014附錄C中給出了換熱器管束流體誘發(fā)振動(dòng)的計(jì)算方法，但并未作為設(shè)計(jì)要求。因此，在該工況下的換熱器設(shè)計(jì)要進(jìn)行振動(dòng)分析，可采取改變折流板形狀、減小換熱管跨距、振動(dòng)振幅大的位置增加固定支撐等措施。制造環(huán)節(jié)中，在換熱管板及換熱管加工時(shí)，一定要控制管口直徑的偏差以及換熱管外徑偏差，避免配合尺寸偏差引起的振幅過(guò)大。該問(wèn)題發(fā)生后，對(duì)泄漏換熱管進(jìn)行了堵管處理，同時(shí)換熱管振動(dòng)位置增加了支撐，并對(duì)斷管附近區(qū)域，即循環(huán)水進(jìn)口位置的換熱管進(jìn)行了聯(lián)排固定，進(jìn)一步降低換熱管振動(dòng)的可能。采取換熱管加固措施后，設(shè)備在氣密試驗(yàn)過(guò)程中和投用后均無(wú)異響發(fā)生，經(jīng)分析介質(zhì)成分，未發(fā)現(xiàn)換熱管泄漏，整套裝置運(yùn)行情況良好。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)大型氨合成裝置水冷器換熱管斷裂失效情況的介紹、檢驗(yàn)檢測(cè)和斷裂分析，探究了換熱管斷裂失效的根本原因，提出了針對(duì)性的處理措施。裝置停車(chē)后，對(duì)設(shè)備內(nèi)斷裂換熱管進(jìn)行了堵管處理，同時(shí)對(duì)介質(zhì)進(jìn)口區(qū)域易發(fā)生振動(dòng)的換熱管進(jìn)行了加固，有效地避免了換熱管振動(dòng)造成的疲勞斷裂。目前檢修后的換熱器運(yùn)行情況良好，設(shè)備無(wú)異常響動(dòng)，未發(fā)生換熱管泄漏事故，保證了裝置長(zhǎng)周期平穩(wěn)運(yùn)行。