浙(zhe)江(jiang)至德鋼業有限公(gong)司以水煤氣廢熱鍋爐在香蕉視頻app連接:不銹鋼換熱管和(he)管(guan)(guan)(guan)(guan)板(ban)(ban)連接(jie)(jie)處(chu)(chu)的失(shi)效分(fen)析(xi)為(wei)例，說明失(shi)效分(fen)析(xi)的過(guo)程(cheng)和(he)意義。管(guan)(guan)(guan)(guan)殼式換熱(re)器(qi)廣(guang)泛應(ying)用(yong)于化(hua)工、石油、醫藥和(he)核行業。管(guan)(guan)(guan)(guan)板(ban)(ban)和(he)換熱(re)管(guan)(guan)(guan)(guan)連接(jie)(jie)處(chu)(chu)是一個關鍵部位，它(ta)們之(zhi)間的連接(jie)(jie)一般采(cai)用(yong)焊接(jie)(jie)、脹接(jie)(jie)或(huo)者(zhe)兩者(zhe)結合(he)的方法。從文獻(xian)報道和(he)實際(ji)使用(yong)情況來(lai)看，管(guan)(guan)(guan)(guan)子和(he)管(guan)(guan)(guan)(guan)板(ban)(ban)連接(jie)(jie)處(chu)(chu)的腐蝕是引起換熱(re)器(qi)失(shi)效的主要原因。因此，常采(cai)用(yong)奧氏體香蕉視頻app連接:不銹鋼管子預(yu)防(fang)腐蝕(shi)的(de)發生。然而，在特定(ding)的(de)介質和一(yi)定(ding)的(de)拉(la)應力(li)下，奧(ao)氏體不銹鋼(gang)會發生香蕉視頻app連接:應力腐蝕開裂。拉(la)應(ying)力(li)來源于操作壓力(li)、熱(re)應(ying)力(li)或(huo)者制(zhi)造的(de)殘余(yu)應(ying)力(li)。近(jin)年來，人們通過失效案例分析，對脹接或(huo)焊接殘余(yu)應(ying)力(li)情(qing)況進行了大量研(yan)究，并(bing)認為它們在(zai)(zai)應(ying)力(li)腐蝕中起到了重要(yao)作用。一些換熱(re)器失效案例中，雖然介質中氯(lv)離子的(de)濃度非常小，但是奧氏體不(bu)銹鋼管應(ying)力(li)腐蝕還(huan)會(hui)發生(sheng)(sheng)。眾多(duo)分析認為，應(ying)力(li)腐蝕的(de)發生(sheng)(sheng)是由氯(lv)離子在(zai)(zai)縫隙中的(de)富(fu)集引(yin)起的(de)。
現當(dang)介質中氯離子濃(nong)度僅有(you)5.8mg/kg時，縫隙處的(de)濃(nong)度值(zhi)可(ke)高達2410mg/kg.但管(guan)子的(de)應(ying)力(li)腐(fu)蝕(shi)和縫隙腐(fu)蝕(shi)仍不(bu)能避免(mian)。目前，對于(yu)脹接之后還存在(zai)縫隙的(de)原(yuan)因不(bu)清楚，因此，這個問題將在(zai)本章中進行重點討論。
一、失效(xiao)案例介紹
某甲醇廠一臺水煤氣廢熱鍋爐（以下簡稱“廢鍋”）管程的介質是由H2、CO、CO2、H2S、NH3、H2O等組成的水煤氣，水從鍋爐補水口進人廢鍋殼程，并在其內變成蒸汽后，再由蒸汽出口排出，廢熱鍋爐技術特性見表7-1。殼程的最高工作壓力和溫度分別為3.4MPa、242℃,管程的最高工作壓力和溫度分別為6.28 MPa、241℃.管子采用321不銹鋼材料，廠家提供的321不銹鋼材料的化學成分見表7-2,管板采用20MnMo材料。換熱管和管板管孔的連接方式采用強度焊十密封脹。
設備在使用兩年左右后，發(fa)現出(chu)(chu)口蒸汽(qi)中一氧化(hua)碳(tan)含量明顯增高，判斷水(shui)(shui)煤(mei)氣出(chu)(chu)現泄漏(lou)。設備停車(che)檢修時(shi)，并未發(fa)現宏觀(guan)缺陷。但(dan)水(shui)(shui)壓試驗時(shi)，發(fa)現管板堆(dui)焊層11處漏(lou)點(dian)；后經堵(du)漏(lou)處理，漏(lou)點(dian)反(fan)而增加到20多處。第(di)二次水(shui)(shui)壓試驗時(shi)，又出(chu)(chu)現新(xin)的漏(lou)點(dian)，同時(shi)，在管子內壁(bi)發(fa)現一些黑色(se)附(fu)著(zhu)物，泄漏(lou)點(dian)位置和管內附(fu)著(zhu)物如圖7-1所(suo)示。
二、失效(xiao)分析過程和結果(guo)
1. 現場勘查
首先(xian)對不銹鋼管(guan)板進(jin)行著(zhu)色探傷，未發現(xian)裂(lie)(lie)(lie)紋(wen)，如圖7-2(a)所示(shi)。其次，對筒(tong)體進(jin)行了(le)檢(jian)查，未發現(xian)裂(lie)(lie)(lie)紋(wen)、腐蝕等現(xian)象，如圖7-2(b)所示(shi)。經(jing)(jing)仔(zi)細觀(guan)察(cha)，泄漏水珠是從(cong)換熱管(guan)內流出的(de)，因此，基本可以確定裂(lie)(lie)(lie)紋(wen)出現(xian)在換熱管(guan)上(shang)。經(jing)(jing)滲透檢(jian)測和打(da)磨，開始在管(guan)內壁未發現(xian)裂(lie)(lie)(lie)紋(wen)，但經(jing)(jing)過滲透和打(da)磨之后，出現(xian)樹枝狀裂(lie)(lie)(lie)紋(wen)；隨(sui)著(zhu)打(da)磨的(de)進(jin)行，裂(lie)(lie)(lie)紋(wen)越來(lai)越清晰，并且裂(lie)(lie)(lie)紋(wen)寬度由(you)管(guan)內向(xiang)外逐(zhu)漸增加，如圖7-2(c)所示(shi)。因此，可以初步判斷裂(lie)(lie)(lie)紋(wen)起(qi)源于管(guan)外壁，向(xiang)內部擴展。
2. 現(xian)場(chang)取樣
分別取含有漏點(dian)的(de)一段進氣(qi)管(guan)以(yi)及對應(ying)的(de)出氣(qi)管(guan)，同時(shi)收集了(le)管(guan)束(shu)內壁(bi)附著物(wu)，如圖7-3所示。
3. 換熱(re)管材料分析(xi)
采用光譜儀對失(shi)效換熱(re)管(guan)材(cai)料化學成分進(jin)行了檢測分析，表(biao)明(ming)換熱(re)管(guan)材(cai)料化學成分基本符(fu)合(he)GB 13296-2007《鍋爐、熱(re)交換器用不銹鋼無縫(feng)鋼管(guan)》標準中對321不銹鋼的成分要求，結果見表(biao)7-3.
4. 裂紋檢查
如圖7-4所示，把(ba)兩取(qu)(qu)(qu)樣(yang)管(guan)打磨后，在(zai)進氣管(guan)外壁1、2區域內用(yong)肉眼可以觀(guan)察(cha)到(dao)微小(xiao)裂(lie)紋(wen)，同時還發現在(zai)較粗裂(lie)紋(wen)處有一些(xie)小(xiao)凹坑。在(zai)取(qu)(qu)(qu)樣(yang)區1取(qu)(qu)(qu)試(shi)樣(yang)1。觀(guan)測取(qu)(qu)(qu)樣(yang)管(guan)橫(heng)截(jie)面的裂(lie)紋(wen)和金(jin)相(xiang)(xiang)組織(zhi)；在(zai)取(qu)(qu)(qu)樣(yang)區2取(qu)(qu)(qu)試(shi)樣(yang)2,用(yong)以觀(guan)察(cha)取(qu)(qu)(qu)樣(yang)管(guan)表面裂(lie)紋(wen)、裂(lie)紋(wen)內腐蝕(shi)產物化學成分和金(jin)相(xiang)(xiang)組織(zhi)；在(zai)取(qu)(qu)(qu)樣(yang)區3取(qu)(qu)(qu)試(shi)樣(yang)3,用(yong)以觀(guan)測取(qu)(qu)(qu)樣(yang)管(guan)縱截(jie)面的裂(lie)紋(wen)和金(jin)相(xiang)(xiang)組織(zhi)。同時，在(zai)出氣管(guan)的取(qu)(qu)(qu)樣(yang)區4、5取(qu)(qu)(qu)試(shi)樣(yang)4和試(shi)樣(yang)5,分別觀(guan)測橫(heng)、縱截(jie)面裂(lie)紋(wen)和金(jin)相(xiang)(xiang)組織(zhi)。
試樣1: 經過打磨、拋光、王水腐蝕，在試樣1橫截面中發現一條穿透性裂紋及其他細小裂紋。裂紋呈樹枝狀，分叉較多，沿橫截面從管外壁向內發展，具有典型不銹鋼應力(li)腐蝕(shi)形貌，如圖7-5所示。組織為單相奧氏體，有孿晶分布，晶粒均勻，符合321不銹鋼固溶處理的組織要求，但觀察到一些顆粒較大的夾雜物，如圖7-6所示。
試樣2: 顯微鏡(jing)下觀察(cha)(cha)到換熱(re)管(guan)表面裂(lie)紋平行于軸(zhou)向擴展，有(you)主干和分支之分，為明顯的穿晶(jing)型裂(lie)紋。金相(xiang)(xiang)組(zu)織(zhi)為單(dan)相(xiang)(xiang)奧氏體，有(you)孿晶(jing)分布，晶(jing)粒(li)較均勻，符合321不銹鋼(gang)固(gu)溶處理的組(zu)織(zhi)要求(qiu)。同時，也觀察(cha)(cha)到一些顆粒(li)較大的夾雜物，如圖7-7所示(shi)。
試(shi)樣3~5: 顯微鏡下(xia)，試(shi)樣3(進氣管(guan)縱(zong)截(jie)面）以及試(shi)樣4、5(出氣管(guan)縱(zong)、橫截(jie)面）均(jun)未發現裂紋。金相(xiang)組(zu)織為(wei)單相(xiang)奧氏體，有孿晶分布，晶粒較(jiao)均(jun)勻，符合321不銹鋼固溶處理的組(zu)織要求，如圖7-8和圖7-9。在(zai)試(shi)樣3顯微組(zu)織中發現有TiN夾(jia)雜物(wu)，但量很少(shao)，屬正常(chang)現象。
5. 裂紋縫(feng)隙內雜質成分(fen)分(fen)析
為(wei)(wei)了(le)分(fen)(fen)析裂(lie)紋縫(feng)隙內(nei)腐蝕產(chan)物(wu)的(de)(de)化學(xue)成(cheng)分(fen)(fen)，取(qu)試樣(yang)2外壁裂(lie)紋區(qu)域進(jin)行(xing)了(le)電子探針檢(jian)測(ce)(ce)。掃(sao)(sao)描區(qu)域的(de)(de)顯(xian)微形貌(mao)見圖7-10(a),裂(lie)紋有主次之(zhi)分(fen)(fen)，并(bing)平行(xing)于軸向發展(zhan)。掃(sao)(sao)描波譜(pu)結果見圖7-10(b),表7-4列(lie)出了(le)裂(lie)紋內(nei)腐蝕產(chan)物(wu)部分(fen)(fen)成(cheng)分(fen)(fen)的(de)(de)半定量分(fen)(fen)析結果。在檢(jian)測(ce)(ce)中發現，腐蝕產(chan)物(wu)的(de)(de)主要金(jin)屬成(cheng)分(fen)(fen)為(wei)(wei)鐵(tie)和(he)鉻,非金(jin)屬元素(su)為(wei)(wei)氯、硫(liu)和(he)氧(yang)，在波譜(pu)上(shang)能看到明顯(xian)的(de)(de)Cl峰和(he)S峰，說明該廢鍋的(de)(de)運行(xing)環境中殼程介質(zhi)含有的(de)(de)氯、硫(liu)可能是介質(zhi)中的(de)(de)也可能是材質(zhi)本(ben)身的(de)(de)。
6. 管壁附(fu)著物的化學成分分析
為了確定(ding)換熱管內壁黑色(se)附(fu)著(zhu)物的成分(fen)(fen)，在附(fu)著(zhu)物較厚處取下(xia)一些(xie)樣品。為全面分(fen)(fen)析附(fu)著(zhu)物的化(hua)(hua)學成分(fen)(fen)，采用電感(gan)耦(ou)合等離(li)子體－發射光譜法(fa)檢測(ce)金(jin)屬元(yuan)(yuan)素(su)(su)、元(yuan)(yuan)素(su)(su)分(fen)(fen)析法(fa)檢測(ce)碳和硫(liu)元(yuan)(yuan)素(su)(su)、離(li)子色(se)譜法(fa)檢測(ce)氯(lv)(lv)元(yuan)(yuan)素(su)(su)。檢測(ce)結果顯示，主要(yao)金(jin)屬元(yuan)(yuan)素(su)(su)是鐵,質(zhi)量分(fen)(fen)數為30%,另(ling)外(wai)還(huan)有少量的鎳、砷、氯(lv)(lv)等；非(fei)金(jin)屬硫(liu)元(yuan)(yuan)素(su)(su)的含量非(fei)常高，達到(dao)34%,當硫(liu)元(yuan)(yuan)素(su)(su)以濕硫(liu)化(hua)(hua)氫存在時，也(ye)會引起奧氏(shi)體不(bu)銹鋼應(ying)力(li)腐(fu)蝕(shi)。
7. 廢熱鍋爐進(jin)出水水質分(fen)析
為了分析廢熱鍋爐管束失效的原因，需對其所使用水的水質和操作情況進行調查。根據公司檢測中心的分析結果，廢熱鍋爐進水中氯離子含量是4.08mg/kg,排污水中的氯離(li)子含量未進行檢測；水煤氣冷凝液中氯離子(zi)含量為14.53mg/kg,見表7-5.廢熱鍋爐連排水、間排水以及水煤氣出口冷凝水樣檢測分析結果見表7-6。從檢驗結果來看，取樣水中的氯離子元素含量較少，說明在生產中鍋爐用水軟化處理的質量較高。
通(tong)過以(yi)上綜合分析可以(yi)判斷，不銹鋼管(guan)子的(de)(de)裂(lie)紋是由(you)應(ying)力腐蝕引(yin)起(qi)的(de)(de)。管(guan)子脹接(jie)后(hou)會產生殘(can)余(yu)應(ying)力，管(guan)板和管(guan)子焊接(jie)后(hou)也會產生殘(can)余(yu)應(ying)力。很多(duo)文獻已經(jing)證明脹接(jie)和焊接(jie)殘(can)余(yu)應(ying)力的(de)(de)存在(zai)。在(zai)設備檢修時，換熱(re)管(guan)貼脹部位的(de)(de)管(guan)子在(zai)去除強度(du)焊焊縫后(hou)很容(rong)易從管(guan)板中取出，說明管(guan)子與(yu)管(guan)板之(zhi)間(jian)存在(zai)微(wei)(wei)小(xiao)的(de)(de)縫隙。介質中微(wei)(wei)量的(de)(de)氯離子可以(yi)在(zai)縫隙內濃(nong)縮，使其濃(nong)度(du)升高。
三、最(zui)小脹緊壓(ya)力計算(suan)
管子和管板之(zhi)間貼(tie)脹(zhang)(zhang)是否(fou)緊密主要取決(jue)于脹(zhang)(zhang)接壓(ya)(ya)力的(de)大小。貼(tie)脹(zhang)(zhang)壓(ya)(ya)力過(guo)小，換熱(re)管和管板孔(kong)間會存在(zai)縫隙；脹(zhang)(zhang)接壓(ya)(ya)力過(guo)大，管板和管子之(zhi)間產(chan)生(sheng)較大的(de)接觸應力，使管外壁因(yin)受管板孔(kong)的(de)擠壓(ya)(ya)而產(chan)生(sheng)額(e)外的(de)應力。因(yin)此，有(you)必要對貼(tie)脹(zhang)(zhang)的(de)最小壓(ya)(ya)力進(jin)行討論。下面通過(guo)理論計算和有(you)限元數值模擬來分析本失效(xiao)案例中所(suo)需的(de)最小貼(tie)脹(zhang)(zhang)壓(ya)(ya)力。
1. 換熱管力(li)學性(xing)能測試(shi)
為(wei)獲得(de)準確(que)的(de)換熱管材(cai)料特(te)性，特(te)從廢熱鍋爐制造廠(chang)家獲取管材(cai)，采(cai)用萬能拉伸(shen)(shen)試(shi)(shi)(shi)驗(yan)設備進行(xing)材(cai)料的(de)拉伸(shen)(shen)試(shi)(shi)(shi)驗(yan)。材(cai)料試(shi)(shi)(shi)樣(yang)的(de)制造及(ji)拉伸(shen)(shen)試(shi)(shi)(shi)驗(yan)過程(cheng)按照GB/T228.1-2010《金屬材(cai)料拉伸(shen)(shen)試(shi)(shi)(shi)驗(yan)第1部(bu)分(fen)；室溫試(shi)(shi)(shi)驗(yan)方法》標(biao)準進行(xing)試(shi)(shi)(shi)驗(yan)。試(shi)(shi)(shi)樣(yang)圖(tu)(tu)紙以及(ji)加工試(shi)(shi)(shi)樣(yang)如圖(tu)(tu)7-11所示，拉伸(shen)(shen)試(shi)(shi)(shi)驗(yan)的(de)應力(li)－應變(bian)曲(qu)線(xian)如圖(tu)(tu)7-12所示。
2. 脹接力的理論計算
液(ye)壓脹(zhang)(zhang)接是(shi)一種柔性脹(zhang)(zhang)接技術(shu)，壓力均(jun)勻地作用于不銹鋼管(guan)(guan)子(zi)(zi)內壁，管(guan)(guan)子(zi)(zi)的變形在(zai)幾秒鐘內完成。由于管(guan)(guan)子(zi)(zi)沒有受到(dao)反復碾壓，這(zhe)種脹(zhang)(zhang)接過程難以達(da)到(dao)對管(guan)(guan)子(zi)(zi)與管(guan)(guan)板(ban)之問粗(cu)糙(cao)(cao)表而的“填平”效果。為(wei)保證脹(zhang)(zhang)接質量，管(guan)(guan)板(ban)孔的加工粗(cu)糙(cao)(cao)度應控制在(zai)Ra6.3μm以內。
根據(ju)液壓脹(zhang)管機廠家提供的資料(liao)，可(ke)按下列方(fang)法計算脹(zhang)接(jie)力：
不銹鋼換熱管和管板之間采用貼脹時，可根據式（7-2)計算所需脹接力。從式（7-2)可以看出，脹接力與脹接件的尺寸和材料的屈服強度密切相關。換熱管材料321不銹鋼的保證屈服強度ReLt ≥205MPa;從廠家提供的“壓力容器產品主要受壓元件使用材料一覽表”中查得，換熱管材料ReLt的供應值是240MPa,廠家復驗值為297MPa,本次分析的試驗值為292MPa。
在實際的(de)(de)(de)(de)制造(zao)(zao)中，管(guan)(guan)(guan)板(ban)(ban)孔(kong)徑(jing)D和(he)(he)換(huan)(huan)熱(re)管(guan)(guan)(guan)的(de)(de)(de)(de)壁(bi)厚(hou)都允(yun)許(xu)(xu)存在偏(pian)(pian)差(cha)(cha)。根(gen)據(ju)換(huan)(huan)熱(re)器制造(zao)(zao)相關標(biao)準(zhun)(zhun)(zhun)(zhun)的(de)(de)(de)(de)規定，一級(ji)(ji)(ji)(ji)管(guan)(guan)(guan)束管(guan)(guan)(guan)板(ban)(ban)孔(kong)直(zhi)(zhi)徑(jing)是(shi)625.25mm時(shi)，允(yun)許(xu)(xu)偏(pian)(pian)差(cha)(cha)為(wei)(wei)0~+0.15.根(gen)據(ju)GB/T 17395-2008《無縫(feng)鋼管(guan)(guan)(guan)尺寸、外(wai)形、重量(liang)及允(yun)許(xu)(xu)偏(pian)(pian)差(cha)(cha)》標(biao)準(zhun)(zhun)(zhun)(zhun)的(de)(de)(de)(de)規定、管(guan)(guan)(guan)子外(wai)徑(jing)偏(pian)(pian)差(cha)(cha)分為(wei)(wei)標(biao)準(zhun)(zhun)(zhun)(zhun)化(hua)(hua)外(wai)徑(jing)允(yun)許(xu)(xu)偏(pian)(pian)差(cha)(cha)四(si)級(ji)(ji)(ji)(ji)和(he)(he)非(fei)標(biao)準(zhun)(zhun)(zhun)(zhun)化(hua)(hua)外(wai)徑(jing)允(yun)許(xu)(xu)偏(pian)(pian)差(cha)(cha)四(si)級(ji)(ji)(ji)(ji)。根(gen)據(ju)管(guan)(guan)(guan)孔(kong)公(gong)差(cha)(cha)，能(neng)與管(guan)(guan)(guan)板(ban)(ban)孔(kong)配合(he)(he)的(de)(de)(de)(de)管(guan)(guan)(guan)子公(gong)差(cha)(cha)范(fan)圍為(wei)(wei)D4級(ji)(ji)(ji)(ji)士0.10、ND4級(ji)(ji)(ji)(ji)士0.20兩種(zhong)。由于管(guan)(guan)(guan)板(ban)(ban)孔(kong)直(zhi)(zhi)徑(jing)和(he)(he)換(huan)(huan)熱(re)管(guan)(guan)(guan)外(wai)徑(jing)和(he)(he)壁(bi)厚(hou)制造(zao)(zao)尺寸偏(pian)(pian)差(cha)(cha)的(de)(de)(de)(de)存在，會影(ying)響換(huan)(huan)熱(re)管(guan)(guan)(guan)和(he)(he)管(guan)(guan)(guan)板(ban)(ban)孔(kong)之(zhi)間空隙(xi)的(de)(de)(de)(de)大小。在不考慮偏(pian)(pian)差(cha)(cha)時(shi)，換(huan)(huan)熱(re)管(guan)(guan)(guan)和(he)(he)管(guan)(guan)(guan)板(ban)(ban)孔(kong)之(zhi)間間隙(xi)為(wei)(wei)Δr=0.125mm;考慮偏(pian)(pian)差(cha)(cha)時(shi)，即對(dui)D4級(ji)(ji)(ji)(ji)管(guan)(guan)(guan)子和(he)(he)管(guan)(guan)(guan)板(ban)(ban)孔(kong)配合(he)(he)的(de)(de)(de)(de)最(zui)(zui)大間隙(xi)為(wei)(wei)Δrmax=0.250mm,最(zui)(zui)小間隙(xi)為(wei)(wei)Δrmin=0.075mm;對(dui)ND4級(ji)(ji)(ji)(ji)管(guan)(guan)(guan)子和(he)(he)管(guan)(guan)(guan)板(ban)(ban)孔(kong)配合(he)(he)的(de)(de)(de)(de)最(zui)(zui)大間隙(xi)為(wei)(wei)Δrmax=0.300mm,最(zui)(zui)小間隙(xi)為(wei)(wei)Δrmin=0.025mm.根(gen)據(ju)GB/T 17395-2008《無縫(feng)鋼管(guan)(guan)(guan)尺寸、外(wai)形、重量(liang)及允(yun)許(xu)(xu)偏(pian)(pian)差(cha)(cha)》標(biao)準(zhun)(zhun)(zhun)(zhun)的(de)(de)(de)(de)規定，管(guan)(guan)(guan)子壁(bi)厚(hou)偏(pian)(pian)差(cha)(cha)分為(wei)(wei)標(biao)準(zhun)(zhun)(zhun)(zhun)化(hua)(hua)壁(bi)厚(hou)允(yun)許(xu)(xu)偏(pian)(pian)差(cha)(cha)九級(ji)(ji)(ji)(ji)（含亞級(ji)(ji)(ji)(ji)）和(he)(he)非(fei)標(biao)準(zhun)(zhun)(zhun)(zhun)化(hua)(hua)壁(bi)厚(hou)允(yun)許(xu)(xu)偏(pian)(pian)差(cha)(cha)四(si)級(ji)(ji)(ji)(ji)。按(an)換(huan)(huan)熱(re)管(guan)(guan)(guan)強度要求，可供選擇的(de)(de)(de)(de)換(huan)(huan)熱(re)管(guan)(guan)(guan)壁(bi)厚(hou)偏(pian)(pian)差(cha)(cha)有：S3A級(ji)(ji)(ji)(ji)±0.20、S4A級(ji)(ji)(ji)(ji)±0.15、S5級(ji)(ji)(ji)(ji)±0.10、NS1級(ji)(ji)(ji)(ji)－0.25~+0.30、NS2級(ji)(ji)(ji)(ji)＋0.30~-0.20、NS3級(ji)(ji)(ji)(ji)＋0.25~-0.20、NS4級(ji)(ji)(ji)(ji)－0.15~+0.25.表7-7列出了兩種(zhong)公(gong)差(cha)(cha)配合(he)(he)下，NS3級(ji)(ji)(ji)(ji)－0.20~+0.25的(de)(de)(de)(de)壁(bi)厚(hou)偏(pian)(pian)差(cha)(cha)下，根(gen)據(ju)式（7-2)計算(suan)出的(de)(de)(de)(de)脹接力(li)Pmin的(de)(de)(de)(de)數值。
從(cong)表7-7來看，Δr=0.125mm時(shi)，ReLt＝205MPa 計(ji)算出的脹(zhang)(zhang)接力(li)為(wei)142MPa，ReLt＝292MPa時(shi)的脹(zhang)(zhang)接力(li)為(wei)202MPa,兩(liang)者差(cha)距(ju)較大。在(zai)脹(zhang)(zhang)接件的尺寸確定的條件下，脹(zhang)(zhang)接力(li)Pmin，隨(sui)(sui)屈服(fu)強(qiang)度的增加而增大；在(zai)同一屈服(fu)強(qiang)度下，脹(zhang)(zhang)接力(li)隨(sui)(sui)著管板之間空隙的減小而增大，這顯然是與實際情況不符的。這說明武（7-2)沒有考慮脹(zhang)(zhang)接件的尺寸偏(pian)差(cha)，因此在(zai)使用式（7-2)時(shi)不能把尺寸偏(pian)差(cha)帶入(ru)其(qi)中(zhong)。
不考(kao)慮尺寸偏差，管板的(de)Rep=370MPa時，換熱管不同(tong)屈服(fu)強度下根據(ju)式(shi)（7-3)計算出的(de)最大(da)脹接力P max見表7-8。
貼脹時，脹接力取Pmin，但是Pmin是使換熱管和管板開始產生殘余應力的最小脹接力，在實際脹接中脹接力的取值要大于Pmin;對密封要求高的強度脹接，脹接力取最大值Pmax。
脹(zhang)(zhang)(zhang)接件的(de)(de)(de)加(jia)工尺(chi)寸偏差除了影響脹(zhang)(zhang)(zhang)接力的(de)(de)(de)大(da)(da)小，還直接影響液袋式液壓(ya)(ya)脹(zhang)(zhang)(zhang)管(guan)(guan)成本。在超高壓(ya)(ya)的(de)(de)(de)脹(zhang)(zhang)(zhang)接壓(ya)(ya)力作(zuo)用下(xia)，管(guan)(guan)子(zi)(zi)向(xiang)外膨(peng)脹(zhang)(zhang)(zhang)，間(jian)隙(xi)(xi)越大(da)(da)，管(guan)(guan)子(zi)(zi)的(de)(de)(de)形(xing)變(bian)(bian)越大(da)(da)，因而液袋脹(zhang)(zhang)(zhang)頭(tou)與管(guan)(guan)子(zi)(zi)內壁之間(jian)的(de)(de)(de)間(jian)隙(xi)(xi)將隨著(zhu)尺(chi)寸偏差加(jia)大(da)(da)而增大(da)(da)。液袋在超高壓(ya)(ya)作(zuo)用下(xia)，具有(you)向(xiang)間(jian)隙(xi)(xi)中(zhong)流動的(de)(de)(de)趨勢，使液袋受到損傷(shang)。在同(tong)樣(yang)的(de)(de)(de)脹(zhang)(zhang)(zhang)接壓(ya)(ya)力下(xia)，脹(zhang)(zhang)(zhang)頭(tou)頭(tou)部的(de)(de)(de)尺(chi)寸與管(guan)(guan)子(zi)(zi)變(bian)(bian)形(xing)后的(de)(de)(de)間(jian)隙(xi)(xi)越大(da)(da)，液袋越易損壞，這種損傷(shang)隨著(zhu)間(jian)隙(xi)(xi)的(de)(de)(de)增大(da)(da)成幾何(he)級數加(jia)劇。
3. 脹接壓力(li)有(you)限元分析
為了解在多大(da)的(de)脹接(jie)力下換熱管和管板(ban)能有效(xiao)貼合(he)，現對換熱管-管板(ban)焊脹連接(jie)處進行有限元分(fen)析。根據脹管和管板(ban)的(de)實際(ji)尺寸建立(li)模型圖(tu)，施(shi)加不同的(de)脹接(jie)力，觀察脹接(jie)效(xiao)果。在分(fen)析時，考慮7.3.2節分(fen)析的(de)制造尺寸偏差情況和材料的(de)力學(xue)性能對脹接(jie)力的(de)影響。
A. 基本參數
換(huan)熱(re)管(guan)(guan)(guan)的(de)(de)(de)規格為(wei)(wei)Φ25mm×2mm,換(huan)熱(re)管(guan)(guan)(guan)在管(guan)(guan)(guan)板(ban)上以等邊三角(jiao)形的(de)(de)(de)形狀排列，孔中心距為(wei)(wei)32mm,管(guan)(guan)(guan)板(ban)孔徑為(wei)(wei)25.25mm+0.15mm.換(huan)熱(re)管(guan)(guan)(guan)和管(guan)(guan)(guan)板(ban)的(de)(de)(de)連接(jie)(jie)方式采用強(qiang)度焊(han)＋液(ye)壓(ya)脹(zhang)，脹(zhang)接(jie)(jie)力為(wei)(wei)142MPa.管(guan)(guan)(guan)程工作壓(ya)力為(wei)(wei)6.28MPa;換(huan)熱(re)管(guan)(guan)(guan)的(de)(de)(de)一(yi)端伸出堆焊(han)層的(de)(de)(de)長度為(wei)(wei)2.5mm,脹(zhang)接(jie)(jie)從距離換(huan)熱(re)管(guan)(guan)(guan)口17.5mm處(chu)開始脹(zhang)接(jie)(jie)部分共長268mm,管(guan)(guan)(guan)板(ban)與換(huan)熱(re)管(guan)(guan)(guan)連接(jie)(jie)的(de)(de)(de)結構圖如圖7-13所(suo)示，根據實際結構尺寸簡畫(hua)出的(de)(de)(de)幾何圖如圖7-14所(suo)示。
B. 有限元模(mo)型
總體坐(zuo)標采用柱坐(zuo)標系，以換(huan)熱管(guan)軸線(xian)為Z軸，徑(jing)向為R,建立二維(wei)模型。管(guan)(guan)板(ban)和換熱管(guan)(guan)均(jun)采用(yong)軸(zhou)對(dui)稱(cheng) plane182單元(yuan)，TARGE169目標面(mian)單元(yuan)和CONTA172接(jie)(jie)觸(chu)面(mian)單元建立換熱管(guan)與(yu)管(guan)板間的柔性(xing)面(mian)－面(mian)接(jie)(jie)觸(chu)對，網格(ge)采(cai)用四(si)面體網格，整個模型的單元總數為10650個。在建立模型的過程中，根據7.3.2節分析的間隙值情況，考慮四種管孔與管子外徑間隙值：對管子D4級±0.10,最大間隙為Δrmax=0.250mm,最小間隙為Δr min=0.075mm;對管子ND4級±0.20,最大間隙為Δrmax=0.300mm,最小間隙為Δrmin＝0.025mm;不考慮制造尺寸偏差時的Δr=0.125mm.不考慮尺寸偏差時的模型圖和網格的劃分如圖7-15。
采用(yong)貼(tie)脹(zhang)(zhang)時(shi)，換(huan)(huan)熱(re)管(guan)在(zai)脹(zhang)(zhang)接過(guo)程中(zhong)(zhong)會發生(sheng)微小的(de)(de)(de)(de)(de)塑(su)性形(xing)變(bian)，管(guan)板只(zhi)產(chan)生(sheng)彈性形(xing)變(bian)。因此(ci)，在(zai)ANSYS分析過(guo)程中(zhong)(zhong)，采用(yong)塑(su)性模(mo)(mo)型(xing)中(zhong)(zhong)隨動強(qiang)化Mises率不相(xiang)關的(de)(de)(de)(de)(de)多線性模(mo)(mo)型(xing)作(zuo)為換(huan)(huan)熱(re)管(guan)的(de)(de)(de)(de)(de)材料本構關系模(mo)(mo)型(xing)，數據(ju)取(qu)自321不銹鋼(gang)實測應力(li)-應變(bian)曲線；管(guan)板采用(yong)各向(xiang)同性的(de)(de)(de)(de)(de)彈性模(mo)(mo)型(xing)。脹(zhang)(zhang)接過(guo)程是在(zai)換(huan)(huan)熱(re)管(guan)的(de)(de)(de)(de)(de)內表面施加(jia)不同的(de)(de)(de)(de)(de)壓(ya)力(li)值，使(shi)傳(chuan)熱(re)管(guan)發生(sheng)塑(su)性變(bian)形(xing)而管(guan)板發生(sheng)彈性變(bian)形(xing)，卸掉載(zai)荷后管(guan)板緊緊地壓(ya)緊傳(chuan)熱(re)管(guan)，達到(dao)連接的(de)(de)(de)(de)(de)目(mu)的(de)(de)(de)(de)(de)。根據(ju)模(mo)(mo)型(xing)的(de)(de)(de)(de)(de)對稱(cheng)性，管(guan)板的(de)(de)(de)(de)(de)表面是固(gu)定不動的(de)(de)(de)(de)(de)，在(zai)模(mo)(mo)型(xing)中(zhong)(zhong)設(she)置(zhi)為完全約(yue)束。換(huan)(huan)熱(re)管(guan)在(zai)脹(zhang)(zhang)接的(de)(de)(de)(de)(de)過(guo)程中(zhong)(zhong)軸(zhou)是沒有位移的(de)(de)(de)(de)(de)，所(suo)以在(zai)傳(chuan)熱(re)管(guan)的(de)(de)(de)(de)(de)軸(zhou)向(xiang)設(she)定約(yue)束。
C. 脹(zhang)接過程模擬(ni)
通過載(zai)(zai)荷(he)增(zeng)量法將脹(zhang)(zhang)接(jie)(jie)(jie)(jie)壓(ya)力(li)施(shi)(shi)加到(dao)管子內表面施(shi)(shi)脹(zhang)(zhang)部位(wei)的(de)(de)單元上，并分三個階(jie)段(duan)(duan)(duan)模擬脹(zhang)(zhang)接(jie)(jie)(jie)(jie)過程(cheng)：第(di)一階(jie)段(duan)(duan)(duan)為(wei)(wei)脹(zhang)(zhang)接(jie)(jie)(jie)(jie)壓(ya)力(li)由零增(zeng)加至規(gui)定的(de)(de)壓(ya)力(li)，即脹(zhang)(zhang)接(jie)(jie)(jie)(jie)壓(ya)力(li)加載(zai)(zai)段(duan)(duan)(duan)；第(di)二階(jie)段(duan)(duan)(duan)為(wei)(wei)脹(zhang)(zhang)接(jie)(jie)(jie)(jie)力(li)停留一段(duan)(duan)(duan)時間；第(di)三階(jie)段(duan)(duan)(duan)為(wei)(wei)脹(zhang)(zhang)接(jie)(jie)(jie)(jie)壓(ya)力(li)由規(gui)定值(zhi)減少至零，即脹(zhang)(zhang)接(jie)(jie)(jie)(jie)壓(ya)力(li)卸載(zai)(zai)段(duan)(duan)(duan)。考慮到(dao)接(jie)(jie)(jie)(jie)觸和(he)材(cai)料非線(xian)性(xing)的(de)(de)計算收斂速度(du)和(he)計算精度(du)，每個階(jie)段(duan)(duan)(duan)劃分為(wei)(wei)幾個載(zai)(zai)荷(he)步，每個載(zai)(zai)荷(he)步中增(zeng)加若干個子載(zai)(zai)荷(he)步。為(wei)(wei)提高求(qiu)解過程(cheng)的(de)(de)收斂速度(du)。使(shi)(shi)用(yong)(yong)完全的(de)(de)Newton-Raphson迭代，以保證每次(ci)平衡(heng)迭代使(shi)(shi)用(yong)(yong)正切剛(gang)度(du)矩陣，使(shi)(shi)用(yong)(yong)線(xian)性(xing)搜索使(shi)(shi)計算穩(wen)定化。整(zheng)個脹(zhang)(zhang)接(jie)(jie)(jie)(jie)過程(cheng)所用(yong)(yong)時間為(wei)(wei)2~3s.
D. 模擬結果(guo)及(ji)分析
有限元模擬時，分別考慮制造尺寸偏差和材料力學性能的影響。首先，在ReLt=292MPa時，計算間隙為0.125mm、0.325mm和0.05mm時所需的貼合脹接力；其次，分析ReLt為292MPa和205MPa時的脹接力。
①. ReLt=292MPa時。
a. 無(wu)制造尺寸偏(pian)差、間(jian)隙Δr=0.125mm時(shi)，換(huan)熱管(guan)的規格(ge)為Φ25mm×2mm,管(guan)板孔徑為25.25mm,模型如圖7-15所示(shi)。分析(xi)時(shi)，選取脹管(guan)中間(jian)位置換(huan)熱管(guan)外壁(bi)的單(dan)元(yuan)A進行(xing)有限元(yuan)分析(xi)，位置如圖 7-16。
分(fen)別施加100MPa、142MPa、180MPa、210MPa、240MPa等的脹接力，經(jing)過多次計算發(fa)現(xian)，在230MPa時單元A沿(yan)R方向的絕(jue)對位移量u=0.125005，如(ru)圖7-17所(suo)示。表明此(ci)時換熱管和管板(ban)能有效貼合(he)。
b. 考慮制造尺寸偏差、間隙Δrmax=0.325mm時，當考慮管板的上偏差十0.15和換熱管下偏差－0.25時，最大間隙為0.325mm,換熱管壁厚1.75mm,模型如圖7-18.分析方法同Δr=0.125mm時的分析方法，經過多個脹接力的計算，在240MPa時單元A沿R方向的絕對位移量u=0.325002,如圖7-19所示。
c. 考慮制造尺寸偏差，間隙Δrmin=0.05mm時，當考慮管板的上偏差＋0.15和換熱管最大上偏差＋0.25時，最小間隙為0.05mm,換熱管壁厚為2.125mm,模型如圖7-20所示。經過多個脹接力的計算，在195MPa時，單元A沿R方向的絕對位移量u=0.05001,如圖7-21所示。
從模(mo)擬結果看出，間隙(xi)越大，需要的(de)脹接力越大，0.05~0.325mm的(de)間隙(xi)在142MPa的(de)脹接力下不能保證(zheng)換(huan)熱(re)管和管板之間緊密貼合(he)。
②. 為了解材料力學性能對脹接力的影響，在相同的間隙Δr=0.125mm的情況下取ReLt=205MPa和ReLt=292MPa,對脹接力進行分析。ReLt=292MPa的脹接力為230MPa,下面對ReLt=205MPa的脹接力進行分析，模型圖如圖7-22所示。分析方法同上，結果表明脹接力在180MPa時，單元A沿R方向的絕對位移量 υ=0.125002，換熱管和管板能有效貼合，結果見圖 7-23。
結(jie)(jie)果(guo)表(biao)明，換熱管屈服強度大(da)時所需的脹接力也大(da)。模(mo)擬的結(jie)(jie)果(guo)與式（7-2)計(ji)算結(jie)(jie)果(guo)比較(jiao)：不考慮偏差時大(da)約相等；間隙大(da)時，模(mo)擬結(jie)(jie)果(guo)比計(ji)算結(jie)(jie)果(guo)大(da)；間隙小時，模(mo)擬結(jie)(jie)果(guo)比計(ji)算值小。
E. 換熱(re)管脹接后(hou)殘(can)余應(ying)力
經過脹接后換熱管發生微小的(de)塑性形變(bian)，管壁(bi)各處會存在殘余脹接應力，在管外壁(bi)取一(yi)單元(yuan)分析其等效殘余應力情況，不同(tong)情況下等效殘余應力隨時(shi)間的(de)變(bian)化(hua)結果(guo)如圖7-24所示(shi)。
分析發現、換(huan)熱管外壁(bi)的(de)等效殘余(yu)應(ying)力處(chu)在20~40MPa之(zhi)間。
四、分析結果討論
不銹(xiu)鋼管(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)子的應(ying)力腐蝕由(you)拉應(ying)力和腐蝕介質共同(tong)引(yin)(yin)起。裂(lie)紋起源(yuan)于管(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)子外表面，并(bing)穿透壁面引(yin)(yin)起泄漏。通過公(gong)式(shi)計算和有限(xian)元分(fen)析發(fa)現，管(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)子和管(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)板(ban)所需的最小脹接壓力約(yue)為(wei)200MPa。在142MPa脹接壓力下，管(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)子和管(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)板(ban)之(zhi)間貼合不緊密(mi)，存在縫隙。一旦(dan)換熱管(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)與換熱管(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)孔之(zhi)間現間隙，就為(wei)氯離子的富(fu)集創造(zao)了條件。
首先，攜帶(dai)微量氯離(li)(li)子(zi)的高溫鍋爐(lu)進(jin)入縫隙，水在(zai)(zai)縫隙內(nei)(nei)(nei)變成蒸汽(qi)后排出。由于縫隙內(nei)(nei)(nei)流體緩(huan)慢，進(jin)入縫隙內(nei)(nei)(nei)的氯離(li)(li)子(zi)因(yin)擴散系(xi)數(shu)(shu)變小而(er)不易排出，特別(bie)是(shi)在(zai)(zai)近壁面(mian)，氯離(li)(li)子(zi)擴散系(xi)數(shu)(shu)很(hen)小，氯離(li)(li)子(zi)將在(zai)(zai)壁面(mian)沉積，如圖7-25所(suo)示。
其次，狹長的縫隙容易造成縫隙腐蝕，縫隙內陽極反應是金屬的溶解反應M→M++e,陰極的還原反應是O2+2H2O+4e→4OH-,縫隙內溶液中的O2逐漸消耗，且不能及時補充，使陰極反應逐漸終止。縫隙內的陽極反應主要依靠縫隙外表的陰極反應來平衡，形成“大陰極”和“小陽極”。為了保持電荷平衡，氯離子向縫隙內遷移。隨著遷移的進行，縫隙內氯離子濃度逐漸升高，越接近縫隙底部濃度越高。縫隙內氯離子濃度增加的同時，會使溶液的pH值降低，增加了不銹鋼換熱管應力腐蝕開裂的風險。
在(zai)高溫(wen)環境中(zhong)，少量的氯離子就能引起奧氏體不(bu)銹鋼(gang)應力腐蝕。試驗(yan)表明，溫度在94~268℃時，CI-濃度大于11mg/kg時，應力腐蝕敏感性為高度。
五、分析(xi)結論(lun)
①. 通過(guo)對換(huan)熱管(guan)的化學成分(fen)(fen)分(fen)(fen)析，說明材(cai)料(liao)是0Cr18Ni10Ti,滿足GB/T13296-2007《鍋爐、熱交換(huan)器用不銹鋼無縫鋼管(guan)》標(biao)準規定要求，鎳(nie)成分(fen)(fen)稍偏低，可(ke)能會降低耐蝕性能，但該(gai)換(huan)熱管(guan)表面沒(mei)有發生均勻腐蝕，而只是個(ge)別區域(yu)出現了(le)裂紋，說明鎳(nie)成分(fen)(fen)偏低和裂紋沒(mei)有直接關系。
②. 通(tong)過(guo)電子探針和(he)顯微鏡(jing)對(dui)裂紋(wen)(wen)的(de)(de)觀察，可看出裂紋(wen)(wen)源存在于換熱管的(de)(de)外表面（點(dian)蝕），并(bing)平行于軸向(xiang)和(he)管徑(jing)向(xiang)發展(zhan)(zhan)；裂紋(wen)(wen)的(de)(de)一個（或多個）分支在沿(yan)徑(jing)向(xiang)發展(zhan)(zhan)時(shi)遇到材(cai)料基體中的(de)(de)缺陷，加劇了(le)腐(fu)蝕的(de)(de)程度(du)，繼續向(xiang)前發展(zhan)(zhan)成為穿透性裂紋(wen)(wen)，引起管內介質泄漏(lou)。兩種觀測方法的(de)(de)結果都顯示(shi)，裂紋(wen)(wen)具(ju)有典型的(de)(de)應力(li)腐(fu)蝕形貌。
③. 電子(zi)探針的(de)掃描結果顯示(shi)，裂(lie)紋縫隙的(de)腐(fu)蝕(shi)產物中含氯、硫和氧元素，表明(ming)殼(ke)程(cheng)廢鍋水中含有氯離子(zi),為換(huan)熱管的(de)應力腐(fu)蝕(shi)創造了腐(fu)蝕(shi)介質環(huan)境。
④. 管束內(nei)壁黑色附(fu)著(zhu)物(wu)中(zhong)的(de)(de)S元素(su)含量較高，來源于原料煤(mei)；鐵和(he)鎳(nie)是水煤(mei)氣介(jie)質腐蝕(shi)設備形成的(de)(de)。這種換熱(re)管的(de)(de)失效與管內(nei)的(de)(de)介(jie)質無關。
⑤. 在(zai)使用(yong)脹(zhang)接力計算(suan)式（7-2)時注意兩(liang)點：
a. 不用考慮尺寸偏差(cha)。
b. 使用材料實測屈服應力值。Pmin是使換熱管和管板開始產生殘余應力的最小脹接力，因此為保證密封性，實際脹接力在Pmin和Pmax平均值上下較好。
根(gen)據換熱管(guan)和(he)管(guan)板材料性(xing)(xing)質(zhi)確定不(bu)準(zhun)確或尺(chi)寸偏(pian)差較大的(de)(de)換熱器，建(jian)議(yi)先進行脹接(jie)工藝試驗，以(yi)獲得(de)脹接(jie)的(de)(de)可(ke)靠性(xing)(xing)。為了降(jiang)低(di)脹接(jie)成本，應選用尺(chi)寸精度等級較高的(de)(de)換熱管(guan)，盡量減小管(guan)子和(he)管(guan)板之間的(de)(de)間隙。
⑥. 有限元模(mo)擬和理(li)論計算結果都顯示，142MPa的脹(zhang)接力不能(neng)滿足(zu)換熱管和管板密封要(yao)求。
通過以上分析，可以判定設備泄漏的原因是換熱管和管板之間存在縫隙，殼程介質中含有氯離子，氯離子在縫隙內富集引起不銹鋼換熱管應力腐蝕開裂。
六、建議(yi)
①. 應嚴格(ge)控制耐壓試驗(yan)用(yong)水和(he)(he)生(sheng)產用(yong)水中(zhong)氯離子(zi)和(he)(he)硫(liu)的含量，定期檢測(ce)廢熱鍋爐的進水和(he)(he)排污水中(zhong)氯離子(zi)和(he)(he)硫(liu)的含量。
②. 盡量減少停(ting)車(che)。裝置停(ting)車(che)時，要(yao)排凈鍋(guo)爐水，保證設備處在干(gan)燥狀(zhuang)態(tai)(tai)。避免(mian)出現干(gan)濕交替狀(zhuang)態(tai)(tai)。
③. 設(she)備(bei)(bei)在進(jin)行修復(fu)時(shi)(shi)或制造下(xia)一(yi)臺設(she)備(bei)(bei)時(shi)(shi)，適當增加脹接力，保證貼脹質量(liang)，消除間(jian)隙。
④. 對于新造廢熱鍋爐，建議將現用的321不銹鋼更換為2205雙相(xiang)不(bu)銹鋼(gang)。該類型不銹鋼比18-8型不銹鋼有更強的耐少量氯化物應力腐蝕的能力。
⑤. 建議修(xiu)復方案：對(dui)新(xin)投用(yong)廢鍋(guo)的管子-管板(ban)連接處進行補脹(zhang)；對(dui)已泄漏廢鍋(guo)的管子-管板(ban)連接處進行鉆取管束，然(ran)后將管束前移，重新(xin)焊(han)脹(zhang)。
