浙江至(zhi)德鋼(gang)業有限公司以水煤氣廢熱(re)鍋爐在香蕉視頻app連接:不銹鋼換熱管和(he)(he)管(guan)板(ban)連(lian)接(jie)處(chu)(chu)的失效分析(xi)為(wei)例，說明失效分析(xi)的過(guo)程和(he)(he)意義。管(guan)殼(ke)式換(huan)熱(re)器廣(guang)泛(fan)應用(yong)于化(hua)工、石油、醫藥(yao)和(he)(he)核行業。管(guan)板(ban)和(he)(he)換(huan)熱(re)管(guan)連(lian)接(jie)處(chu)(chu)是一(yi)個關鍵部(bu)位(wei)，它們(men)之間的連(lian)接(jie)一(yi)般采(cai)用(yong)焊接(jie)、脹接(jie)或(huo)者兩者結合的方法。從文獻報道和(he)(he)實際(ji)使用(yong)情況來看，管(guan)子和(he)(he)管(guan)板(ban)連(lian)接(jie)處(chu)(chu)的腐(fu)蝕(shi)是引起換(huan)熱(re)器失效的主要(yao)原因。因此，常采(cai)用(yong)奧氏(shi)體(ti)香蕉視頻app連接:不銹鋼管子預防腐蝕的(de)發生(sheng)。然而，在特定的(de)介質和一定的(de)拉應力下，奧氏體不(bu)銹鋼會發生(sheng)香蕉視頻app連接:應力腐蝕開裂。拉應(ying)力(li)來源于操作(zuo)(zuo)壓力(li)、熱(re)應(ying)力(li)或者制造的(de)殘(can)余應(ying)力(li)。近年來，人(ren)們(men)通過失效案例分析，對脹接(jie)(jie)或焊接(jie)(jie)殘(can)余應(ying)力(li)情況進行(xing)了大量研究，并(bing)認(ren)為(wei)它們(men)在應(ying)力(li)腐(fu)蝕(shi)中起(qi)到了重要作(zuo)(zuo)用。一些換熱(re)器(qi)失效案例中，雖然介質中氯離子的(de)濃度非(fei)常小，但是奧氏(shi)體不(bu)銹(xiu)鋼(gang)管(guan)應(ying)力(li)腐(fu)蝕(shi)還(huan)會發生(sheng)。眾多分析認(ren)為(wei)，應(ying)力(li)腐(fu)蝕(shi)的(de)發生(sheng)是由氯離子在縫隙中的(de)富集引起(qi)的(de)。
現當介質(zhi)中(zhong)氯離子(zi)濃度僅有5.8mg/kg時(shi)，縫隙處的濃度值(zhi)可高達(da)2410mg/kg.但管子(zi)的應(ying)力腐蝕和縫隙腐蝕仍不能避免。目前，對(dui)于脹接之后還存在縫隙的原(yuan)因(yin)(yin)不清楚，因(yin)(yin)此，這個(ge)問(wen)題將在本(ben)章中(zhong)進行重點討論。
一(yi)、失(shi)效案例介紹
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(xiu)鋼(gang)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(she)備(bei)在使用(yong)兩(liang)年左右(you)后，發(fa)現(xian)出(chu)口(kou)蒸汽中一(yi)氧化碳含量明顯增高，判斷水煤氣出(chu)現(xian)泄(xie)(xie)漏(lou)(lou)。設(she)備(bei)停車檢修時(shi)，并(bing)未(wei)發(fa)現(xian)宏觀缺陷。但(dan)水壓試(shi)驗(yan)時(shi)，發(fa)現(xian)管板(ban)堆焊層11處漏(lou)(lou)點(dian)；后經堵(du)漏(lou)(lou)處理(li)，漏(lou)(lou)點(dian)反而增加(jia)到20多(duo)處。第二次水壓試(shi)驗(yan)時(shi)，又出(chu)現(xian)新的漏(lou)(lou)點(dian)，同時(shi)，在管子(zi)內壁發(fa)現(xian)一(yi)些(xie)黑(hei)色附(fu)著物，泄(xie)(xie)漏(lou)(lou)點(dian)位置和管內附(fu)著物如(ru)圖(tu)7-1所示。
二、失效分(fen)析過程和結果
1. 現場勘查
首(shou)先對不銹鋼(gang)管板進行(xing)(xing)著色探傷，未(wei)(wei)發現(xian)裂(lie)紋(wen)(wen)，如圖(tu)(tu)7-2(a)所示(shi)。其(qi)次，對筒體進行(xing)(xing)了檢查(cha)，未(wei)(wei)發現(xian)裂(lie)紋(wen)(wen)、腐蝕等現(xian)象，如圖(tu)(tu)7-2(b)所示(shi)。經仔細觀察(cha)，泄(xie)漏水珠是從換熱管內流出(chu)的，因此(ci)，基本可(ke)以確定裂(lie)紋(wen)(wen)出(chu)現(xian)在換熱管上(shang)。經滲透檢測和(he)打磨(mo)，開始(shi)在管內壁未(wei)(wei)發現(xian)裂(lie)紋(wen)(wen)，但經過滲透和(he)打磨(mo)之后(hou)，出(chu)現(xian)樹枝狀裂(lie)紋(wen)(wen)；隨著打磨(mo)的進行(xing)(xing)，裂(lie)紋(wen)(wen)越來越清晰，并且(qie)裂(lie)紋(wen)(wen)寬度(du)由管內向外逐漸增加，如圖(tu)(tu)7-2(c)所示(shi)。因此(ci)，可(ke)以初步(bu)判(pan)斷裂(lie)紋(wen)(wen)起(qi)源于管外壁，向內部擴展。
2. 現(xian)場取樣
分別(bie)取含有漏點的一段進氣(qi)(qi)管以及對應的出氣(qi)(qi)管，同時收集了管束內壁附著物，如圖7-3所(suo)示。
3. 換熱管材料分(fen)析
采(cai)用光(guang)譜儀(yi)對失效換(huan)熱管材(cai)料化(hua)學成分進行了檢(jian)測分析，表(biao)明換(huan)熱管材(cai)料化(hua)學成分基本(ben)符合GB 13296-2007《鍋爐、熱交換(huan)器(qi)用不銹(xiu)鋼無縫(feng)鋼管》標準中對321不銹(xiu)鋼的成分要求(qiu)，結果見表(biao)7-3.
4. 裂紋(wen)檢(jian)查
如(ru)圖7-4所示，把兩取(qu)(qu)(qu)樣(yang)(yang)(yang)(yang)(yang)管(guan)打磨(mo)后，在(zai)(zai)進氣管(guan)外壁1、2區(qu)(qu)域內(nei)(nei)用肉眼可以觀(guan)察(cha)到微(wei)小(xiao)(xiao)裂(lie)紋(wen)(wen)，同時(shi)還發現在(zai)(zai)較粗(cu)裂(lie)紋(wen)(wen)處有一些小(xiao)(xiao)凹坑。在(zai)(zai)取(qu)(qu)(qu)樣(yang)(yang)(yang)(yang)(yang)區(qu)(qu)1取(qu)(qu)(qu)試(shi)樣(yang)(yang)(yang)(yang)(yang)1。觀(guan)測(ce)取(qu)(qu)(qu)樣(yang)(yang)(yang)(yang)(yang)管(guan)橫截(jie)面(mian)的(de)裂(lie)紋(wen)(wen)和金(jin)(jin)相(xiang)組(zu)織；在(zai)(zai)取(qu)(qu)(qu)樣(yang)(yang)(yang)(yang)(yang)區(qu)(qu)2取(qu)(qu)(qu)試(shi)樣(yang)(yang)(yang)(yang)(yang)2,用以觀(guan)察(cha)取(qu)(qu)(qu)樣(yang)(yang)(yang)(yang)(yang)管(guan)表(biao)面(mian)裂(lie)紋(wen)(wen)、裂(lie)紋(wen)(wen)內(nei)(nei)腐蝕產(chan)物化(hua)學(xue)成(cheng)分和金(jin)(jin)相(xiang)組(zu)織；在(zai)(zai)取(qu)(qu)(qu)樣(yang)(yang)(yang)(yang)(yang)區(qu)(qu)3取(qu)(qu)(qu)試(shi)樣(yang)(yang)(yang)(yang)(yang)3,用以觀(guan)測(ce)取(qu)(qu)(qu)樣(yang)(yang)(yang)(yang)(yang)管(guan)縱截(jie)面(mian)的(de)裂(lie)紋(wen)(wen)和金(jin)(jin)相(xiang)組(zu)織。同時(shi)，在(zai)(zai)出氣管(guan)的(de)取(qu)(qu)(qu)樣(yang)(yang)(yang)(yang)(yang)區(qu)(qu)4、5取(qu)(qu)(qu)試(shi)樣(yang)(yang)(yang)(yang)(yang)4和試(shi)樣(yang)(yang)(yang)(yang)(yang)5,分別觀(guan)測(ce)橫、縱截(jie)面(mian)裂(lie)紋(wen)(wen)和金(jin)(jin)相(xiang)組(zu)織。
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(gang)應力腐(fu)蝕形貌，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(shi)樣2: 顯(xian)微鏡下觀察到換熱管表面裂紋(wen)平(ping)行于軸向擴展(zhan)，有(you)(you)主(zhu)干和分(fen)支之分(fen)，為明顯(xian)的(de)穿晶型裂紋(wen)。金相組織為單相奧氏體(ti)，有(you)(you)孿晶分(fen)布，晶粒(li)較均勻(yun)，符合321不(bu)銹鋼固溶處理的(de)組織要(yao)求。同時，也觀察到一些顆粒(li)較大的(de)夾雜物，如圖7-7所示。
試(shi)樣3~5: 顯微鏡下，試(shi)樣3(進(jin)氣管(guan)縱截面）以及試(shi)樣4、5(出氣管(guan)縱、橫(heng)截面）均未發(fa)現(xian)裂紋。金相組織(zhi)為單(dan)相奧(ao)氏體，有孿晶(jing)分布，晶(jing)粒(li)較均勻，符合321不(bu)銹鋼固溶處(chu)理的組織(zhi)要求，如(ru)圖(tu)7-8和圖(tu)7-9。在試(shi)樣3顯微組織(zhi)中發(fa)現(xian)有TiN夾雜物，但量很(hen)少，屬正常現(xian)象。
5. 裂紋縫隙內雜質成分分析
為了(le)分(fen)(fen)析裂(lie)紋(wen)縫隙內腐蝕產物(wu)的(de)(de)(de)化學成(cheng)分(fen)(fen)，取試樣2外壁(bi)裂(lie)紋(wen)區域進行了(le)電子探針檢(jian)測(ce)。掃描區域的(de)(de)(de)顯微形貌(mao)見(jian)(jian)圖7-10(a),裂(lie)紋(wen)有主次之分(fen)(fen)，并平(ping)行于軸向(xiang)發展(zhan)。掃描波譜結(jie)果(guo)見(jian)(jian)圖7-10(b),表7-4列出了(le)裂(lie)紋(wen)內腐蝕產物(wu)部分(fen)(fen)成(cheng)分(fen)(fen)的(de)(de)(de)半定量分(fen)(fen)析結(jie)果(guo)。在檢(jian)測(ce)中(zhong)發現，腐蝕產物(wu)的(de)(de)(de)主要金(jin)(jin)屬成(cheng)分(fen)(fen)為鐵和(he)鉻,非金(jin)(jin)屬元素為氯、硫和(he)氧，在波譜上能看到明顯的(de)(de)(de)Cl峰和(he)S峰，說明該廢(fei)鍋的(de)(de)(de)運(yun)行環境中(zhong)殼(ke)程介(jie)質(zhi)含(han)有的(de)(de)(de)氯、硫可能是介(jie)質(zhi)中(zhong)的(de)(de)(de)也可能是材質(zhi)本身的(de)(de)(de)。
6. 管(guan)壁附著物的化學成分分析
為了確(que)定換(huan)熱管(guan)內壁黑色(se)附著物的(de)(de)成(cheng)分，在附著物較厚處取下一些樣(yang)品。為全面分析(xi)附著物的(de)(de)化學成(cheng)分，采(cai)用電感耦合等離子(zi)體－發(fa)射(she)光譜法檢(jian)(jian)測(ce)金(jin)屬(shu)元(yuan)素(su)(su)、元(yuan)素(su)(su)分析(xi)法檢(jian)(jian)測(ce)碳和硫元(yuan)素(su)(su)、離子(zi)色(se)譜法檢(jian)(jian)測(ce)氯(lv)元(yuan)素(su)(su)。檢(jian)(jian)測(ce)結果(guo)顯(xian)示(shi)，主要金(jin)屬(shu)元(yuan)素(su)(su)是(shi)鐵,質(zhi)量(liang)分數為30%,另外還有少量(liang)的(de)(de)鎳、砷、氯(lv)等；非(fei)金(jin)屬(shu)硫元(yuan)素(su)(su)的(de)(de)含量(liang)非(fei)常高，達到34%,當硫元(yuan)素(su)(su)以濕硫化氫存在時(shi)，也會引起奧氏體不(bu)銹鋼應力腐蝕(shi)。
7. 廢熱(re)鍋爐進出(chu)水水質分析
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(lv)離子含量未進行檢測；水煤氣冷凝液中氯(lv)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(lv)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(guo)以上(shang)綜合分析(xi)可以判斷，不銹鋼管子的(de)裂紋是由(you)應(ying)力(li)腐蝕引(yin)起(qi)的(de)。管子脹(zhang)接(jie)(jie)后(hou)會產生殘(can)(can)余應(ying)力(li)，管板(ban)和(he)管子焊接(jie)(jie)后(hou)也會產生殘(can)(can)余應(ying)力(li)。很多文獻已經證明(ming)脹(zhang)接(jie)(jie)和(he)焊接(jie)(jie)殘(can)(can)余應(ying)力(li)的(de)存在(zai)(zai)。在(zai)(zai)設備檢修時，換熱管貼脹(zhang)部(bu)位的(de)管子在(zai)(zai)去除強度焊焊縫(feng)后(hou)很容(rong)易從管板(ban)中取出，說明(ming)管子與管板(ban)之間存在(zai)(zai)微小的(de)縫(feng)隙(xi)。介質中微量的(de)氯離子可以在(zai)(zai)縫(feng)隙(xi)內濃(nong)(nong)縮，使其濃(nong)(nong)度升(sheng)高。
三、最小脹緊壓力計算
管(guan)(guan)子和(he)管(guan)(guan)板之間貼(tie)(tie)脹(zhang)(zhang)是否緊密主要取決于脹(zhang)(zhang)接(jie)壓(ya)(ya)力的大小。貼(tie)(tie)脹(zhang)(zhang)壓(ya)(ya)力過小，換(huan)熱管(guan)(guan)和(he)管(guan)(guan)板孔(kong)(kong)間會存在縫隙；脹(zhang)(zhang)接(jie)壓(ya)(ya)力過大，管(guan)(guan)板和(he)管(guan)(guan)子之間產生較大的接(jie)觸應(ying)力，使管(guan)(guan)外壁(bi)因(yin)受管(guan)(guan)板孔(kong)(kong)的擠壓(ya)(ya)而產生額(e)外的應(ying)力。因(yin)此，有必要對貼(tie)(tie)脹(zhang)(zhang)的最小壓(ya)(ya)力進行討論。下面通過理論計算(suan)和(he)有限(xian)元數值模擬(ni)來分(fen)析本(ben)失效案(an)例中所需的最小貼(tie)(tie)脹(zhang)(zhang)壓(ya)(ya)力。
1. 換熱管力學性能測試(shi)
為獲(huo)(huo)得準確的換(huan)熱(re)管材(cai)料(liao)特性，特從(cong)廢熱(re)鍋爐制造(zao)廠家(jia)獲(huo)(huo)取管材(cai)，采用萬能拉(la)(la)伸(shen)試(shi)(shi)驗設備進行(xing)材(cai)料(liao)的拉(la)(la)伸(shen)試(shi)(shi)驗。材(cai)料(liao)試(shi)(shi)樣(yang)的制造(zao)及拉(la)(la)伸(shen)試(shi)(shi)驗過程按照GB/T228.1-2010《金屬材(cai)料(liao)拉(la)(la)伸(shen)試(shi)(shi)驗第1部分；室溫試(shi)(shi)驗方(fang)法》標(biao)準進行(xing)試(shi)(shi)驗。試(shi)(shi)樣(yang)圖(tu)紙以及加工(gong)試(shi)(shi)樣(yang)如圖(tu)7-11所示(shi)，拉(la)(la)伸(shen)試(shi)(shi)驗的應力－應變曲線如圖(tu)7-12所示(shi)。
2. 脹(zhang)接力(li)的理論(lun)計算
液壓脹(zhang)接(jie)是一種(zhong)柔性脹(zhang)接(jie)技術，壓力均勻地作用(yong)于不(bu)銹鋼管(guan)(guan)子(zi)(zi)(zi)內(nei)(nei)壁，管(guan)(guan)子(zi)(zi)(zi)的變形在幾秒鐘內(nei)(nei)完成。由于管(guan)(guan)子(zi)(zi)(zi)沒有受到反(fan)復碾壓，這種(zhong)脹(zhang)接(jie)過程難以達到對(dui)管(guan)(guan)子(zi)(zi)(zi)與管(guan)(guan)板(ban)之問粗(cu)糙表而(er)的“填平”效果。為保證脹(zhang)接(jie)質量，管(guan)(guan)板(ban)孔的加工粗(cu)糙度應控制在Ra6.3μm以內(nei)(nei)。
根據液壓脹管機廠家提供的資(zi)料，可按下列方法(fa)計算脹接力：
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(zai)實際(ji)的(de)(de)(de)(de)(de)制造(zao)中，管(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)板(ban)(ban)孔(kong)徑(jing)D和(he)換(huan)(huan)(huan)熱管(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)的(de)(de)(de)(de)(de)壁(bi)厚(hou)(hou)都允(yun)許(xu)(xu)存在(zai)偏(pian)差(cha)(cha)(cha)。根據(ju)換(huan)(huan)(huan)熱器制造(zao)相(xiang)關標(biao)準(zhun)(zhun)的(de)(de)(de)(de)(de)規(gui)定，一級(ji)管(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)束管(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)板(ban)(ban)孔(kong)直(zhi)(zhi)徑(jing)是625.25mm時(shi)，允(yun)許(xu)(xu)偏(pian)差(cha)(cha)(cha)為(wei)(wei)0~+0.15.根據(ju)GB/T 17395-2008《無(wu)縫鋼管(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)尺(chi)(chi)寸(cun)、外(wai)形(xing)、重量及(ji)允(yun)許(xu)(xu)偏(pian)差(cha)(cha)(cha)》標(biao)準(zhun)(zhun)的(de)(de)(de)(de)(de)規(gui)定、管(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)子外(wai)徑(jing)偏(pian)差(cha)(cha)(cha)分為(wei)(wei)標(biao)準(zhun)(zhun)化外(wai)徑(jing)允(yun)許(xu)(xu)偏(pian)差(cha)(cha)(cha)四級(ji)和(he)非標(biao)準(zhun)(zhun)化外(wai)徑(jing)允(yun)許(xu)(xu)偏(pian)差(cha)(cha)(cha)四級(ji)。根據(ju)管(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)孔(kong)公(gong)差(cha)(cha)(cha)，能與管(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)板(ban)(ban)孔(kong)配(pei)合(he)的(de)(de)(de)(de)(de)管(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)子公(gong)差(cha)(cha)(cha)范圍為(wei)(wei)D4級(ji)士0.10、ND4級(ji)士0.20兩(liang)種。由于管(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)板(ban)(ban)孔(kong)直(zhi)(zhi)徑(jing)和(he)換(huan)(huan)(huan)熱管(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)外(wai)徑(jing)和(he)壁(bi)厚(hou)(hou)制造(zao)尺(chi)(chi)寸(cun)偏(pian)差(cha)(cha)(cha)的(de)(de)(de)(de)(de)存在(zai)，會(hui)影響換(huan)(huan)(huan)熱管(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)和(he)管(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)板(ban)(ban)孔(kong)之間(jian)空隙(xi)(xi)的(de)(de)(de)(de)(de)大小。在(zai)不考(kao)(kao)慮(lv)偏(pian)差(cha)(cha)(cha)時(shi)，換(huan)(huan)(huan)熱管(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)和(he)管(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)板(ban)(ban)孔(kong)之間(jian)間(jian)隙(xi)(xi)為(wei)(wei)Δr=0.125mm;考(kao)(kao)慮(lv)偏(pian)差(cha)(cha)(cha)時(shi)，即(ji)對D4級(ji)管(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)子和(he)管(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)板(ban)(ban)孔(kong)配(pei)合(he)的(de)(de)(de)(de)(de)最大間(jian)隙(xi)(xi)為(wei)(wei)Δrmax=0.250mm,最小間(jian)隙(xi)(xi)為(wei)(wei)Δrmin=0.075mm;對ND4級(ji)管(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)子和(he)管(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)板(ban)(ban)孔(kong)配(pei)合(he)的(de)(de)(de)(de)(de)最大間(jian)隙(xi)(xi)為(wei)(wei)Δrmax=0.300mm,最小間(jian)隙(xi)(xi)為(wei)(wei)Δrmin=0.025mm.根據(ju)GB/T 17395-2008《無(wu)縫鋼管(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)尺(chi)(chi)寸(cun)、外(wai)形(xing)、重量及(ji)允(yun)許(xu)(xu)偏(pian)差(cha)(cha)(cha)》標(biao)準(zhun)(zhun)的(de)(de)(de)(de)(de)規(gui)定，管(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)子壁(bi)厚(hou)(hou)偏(pian)差(cha)(cha)(cha)分為(wei)(wei)標(biao)準(zhun)(zhun)化壁(bi)厚(hou)(hou)允(yun)許(xu)(xu)偏(pian)差(cha)(cha)(cha)九級(ji)（含亞級(ji)）和(he)非標(biao)準(zhun)(zhun)化壁(bi)厚(hou)(hou)允(yun)許(xu)(xu)偏(pian)差(cha)(cha)(cha)四級(ji)。按換(huan)(huan)(huan)熱管(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)強度(du)要求，可(ke)供選(xuan)擇的(de)(de)(de)(de)(de)換(huan)(huan)(huan)熱管(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)壁(bi)厚(hou)(hou)偏(pian)差(cha)(cha)(cha)有：S3A級(ji)±0.20、S4A級(ji)±0.15、S5級(ji)±0.10、NS1級(ji)－0.25~+0.30、NS2級(ji)＋0.30~-0.20、NS3級(ji)＋0.25~-0.20、NS4級(ji)－0.15~+0.25.表7-7列出了(le)兩(liang)種公(gong)差(cha)(cha)(cha)配(pei)合(he)下，NS3級(ji)－0.20~+0.25的(de)(de)(de)(de)(de)壁(bi)厚(hou)(hou)偏(pian)差(cha)(cha)(cha)下，根據(ju)式（7-2)計(ji)算出的(de)(de)(de)(de)(de)脹接力(li)Pmin的(de)(de)(de)(de)(de)數值。
從表7-7來看，Δr=0.125mm時(shi)，ReLt＝205MPa 計算(suan)出的(de)(de)(de)(de)脹(zhang)(zhang)(zhang)接(jie)力(li)為142MPa，ReLt＝292MPa時(shi)的(de)(de)(de)(de)脹(zhang)(zhang)(zhang)接(jie)力(li)為202MPa,兩者差(cha)距較大。在脹(zhang)(zhang)(zhang)接(jie)件(jian)的(de)(de)(de)(de)尺(chi)(chi)寸(cun)確(que)定的(de)(de)(de)(de)條件(jian)下，脹(zhang)(zhang)(zhang)接(jie)力(li)Pmin，隨(sui)屈(qu)服(fu)強(qiang)度的(de)(de)(de)(de)增加而增大；在同一屈(qu)服(fu)強(qiang)度下，脹(zhang)(zhang)(zhang)接(jie)力(li)隨(sui)著管板之間空隙(xi)的(de)(de)(de)(de)減小而增大，這顯然是與實際情(qing)況不符的(de)(de)(de)(de)。這說明(ming)武（7-2)沒(mei)有考慮(lv)脹(zhang)(zhang)(zhang)接(jie)件(jian)的(de)(de)(de)(de)尺(chi)(chi)寸(cun)偏(pian)差(cha)，因此(ci)在使(shi)用式（7-2)時(shi)不能把尺(chi)(chi)寸(cun)偏(pian)差(cha)帶入其中。
不(bu)考慮尺寸偏差，管板的(de)Rep=370MPa時，換(huan)熱管不(bu)同屈服強度下(xia)根據式（7-3)計算出的(de)最大脹接力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。
脹接(jie)(jie)件的(de)加(jia)工尺寸(cun)偏差除了(le)影響(xiang)脹接(jie)(jie)力(li)的(de)大(da)小，還直接(jie)(jie)影響(xiang)液(ye)袋式液(ye)壓(ya)(ya)脹管成本(ben)。在(zai)超(chao)高壓(ya)(ya)的(de)脹接(jie)(jie)壓(ya)(ya)力(li)作(zuo)用下，管子向(xiang)(xiang)外膨(peng)脹，間(jian)隙越(yue)大(da)，管子的(de)形(xing)變越(yue)大(da)，因而液(ye)袋脹頭與管子內壁之間(jian)的(de)間(jian)隙將隨(sui)著尺寸(cun)偏差加(jia)大(da)而增大(da)。液(ye)袋在(zai)超(chao)高壓(ya)(ya)作(zuo)用下，具有向(xiang)(xiang)間(jian)隙中流動(dong)的(de)趨勢，使液(ye)袋受到(dao)損傷(shang)。在(zai)同樣的(de)脹接(jie)(jie)壓(ya)(ya)力(li)下，脹頭頭部(bu)的(de)尺寸(cun)與管子變形(xing)后的(de)間(jian)隙越(yue)大(da)，液(ye)袋越(yue)易損壞(huai)，這種損傷(shang)隨(sui)著間(jian)隙的(de)增大(da)成幾何(he)級數加(jia)劇。
3. 脹接壓(ya)力(li)有限元分析
為了解在多(duo)大的(de)脹接(jie)力下換熱(re)(re)管(guan)和管(guan)板(ban)能有(you)效貼合，現對換熱(re)(re)管(guan)-管(guan)板(ban)焊脹連接(jie)處(chu)進行有(you)限元分(fen)析(xi)。根據脹管(guan)和管(guan)板(ban)的(de)實際(ji)尺(chi)寸建立模(mo)型圖，施加不同的(de)脹接(jie)力，觀察(cha)脹接(jie)效果(guo)。在分(fen)析(xi)時，考慮7.3.2節(jie)分(fen)析(xi)的(de)制造尺(chi)寸偏差情(qing)況和材料的(de)力學性能對脹接(jie)力的(de)影(ying)響。
A. 基(ji)本參數
換(huan)熱管(guan)(guan)(guan)(guan)的(de)(de)規(gui)格為Φ25mm×2mm,換(huan)熱管(guan)(guan)(guan)(guan)在(zai)管(guan)(guan)(guan)(guan)板(ban)上(shang)以等邊三(san)角形的(de)(de)形狀排列，孔中心距為32mm,管(guan)(guan)(guan)(guan)板(ban)孔徑(jing)為25.25mm+0.15mm.換(huan)熱管(guan)(guan)(guan)(guan)和管(guan)(guan)(guan)(guan)板(ban)的(de)(de)連接(jie)方式(shi)采用強度焊＋液壓脹(zhang)，脹(zhang)接(jie)力為142MPa.管(guan)(guan)(guan)(guan)程工作(zuo)壓力為6.28MPa;換(huan)熱管(guan)(guan)(guan)(guan)的(de)(de)一端伸出堆(dui)焊層的(de)(de)長(chang)度為2.5mm,脹(zhang)接(jie)從距離(li)換(huan)熱管(guan)(guan)(guan)(guan)口17.5mm處開始脹(zhang)接(jie)部分共長(chang)268mm,管(guan)(guan)(guan)(guan)板(ban)與換(huan)熱管(guan)(guan)(guan)(guan)連接(jie)的(de)(de)結構(gou)(gou)圖如圖7-13所示，根據實際結構(gou)(gou)尺(chi)寸(cun)簡畫出的(de)(de)幾何圖如圖7-14所示。
B. 有限元模型
總體坐標(biao)采用柱坐標(biao)系，以(yi)換熱管軸線為Z軸，徑向為R,建(jian)立二維(wei)模型。管板(ban)和換(huan)熱管均采用軸對(dui)稱 plane182單元，TARGE169目標面單元和CONTA172接觸面單元建立換熱管與管板(ban)間的柔性面－面接觸對，網格采用四面體網格，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。
采用貼(tie)脹(zhang)(zhang)時，換熱(re)(re)管(guan)(guan)在脹(zhang)(zhang)接(jie)(jie)過(guo)(guo)(guo)程(cheng)中(zhong)(zhong)會發(fa)生微小的(de)(de)(de)塑(su)性(xing)(xing)(xing)形(xing)變，管(guan)(guan)板(ban)(ban)只產生彈(dan)性(xing)(xing)(xing)形(xing)變。因(yin)此，在ANSYS分析過(guo)(guo)(guo)程(cheng)中(zhong)(zhong)，采用塑(su)性(xing)(xing)(xing)模(mo)型(xing)中(zhong)(zhong)隨(sui)動(dong)強化Mises率(lv)不相關的(de)(de)(de)多線性(xing)(xing)(xing)模(mo)型(xing)作(zuo)為換熱(re)(re)管(guan)(guan)的(de)(de)(de)材(cai)料本構關系模(mo)型(xing)，數據(ju)取自321不銹鋼實測應(ying)力(li)-應(ying)變曲(qu)線；管(guan)(guan)板(ban)(ban)采用各向同(tong)性(xing)(xing)(xing)的(de)(de)(de)彈(dan)性(xing)(xing)(xing)模(mo)型(xing)。脹(zhang)(zhang)接(jie)(jie)過(guo)(guo)(guo)程(cheng)是(shi)在換熱(re)(re)管(guan)(guan)的(de)(de)(de)內表(biao)(biao)面(mian)施(shi)加不同(tong)的(de)(de)(de)壓(ya)力(li)值，使(shi)傳(chuan)(chuan)(chuan)熱(re)(re)管(guan)(guan)發(fa)生塑(su)性(xing)(xing)(xing)變形(xing)而(er)管(guan)(guan)板(ban)(ban)發(fa)生彈(dan)性(xing)(xing)(xing)變形(xing)，卸掉(diao)載荷后(hou)管(guan)(guan)板(ban)(ban)緊(jin)緊(jin)地壓(ya)緊(jin)傳(chuan)(chuan)(chuan)熱(re)(re)管(guan)(guan)，達到(dao)連接(jie)(jie)的(de)(de)(de)目的(de)(de)(de)。根據(ju)模(mo)型(xing)的(de)(de)(de)對稱(cheng)性(xing)(xing)(xing)，管(guan)(guan)板(ban)(ban)的(de)(de)(de)表(biao)(biao)面(mian)是(shi)固定不動(dong)的(de)(de)(de)，在模(mo)型(xing)中(zhong)(zhong)設置(zhi)為完(wan)全(quan)約束(shu)。換熱(re)(re)管(guan)(guan)在脹(zhang)(zhang)接(jie)(jie)的(de)(de)(de)過(guo)(guo)(guo)程(cheng)中(zhong)(zhong)軸是(shi)沒(mei)有位移的(de)(de)(de)，所以在傳(chuan)(chuan)(chuan)熱(re)(re)管(guan)(guan)的(de)(de)(de)軸向設定約束(shu)。
C. 脹(zhang)接(jie)過程模擬
通過(guo)載(zai)荷(he)增(zeng)量法(fa)將(jiang)脹(zhang)(zhang)接壓(ya)(ya)力(li)(li)施加到管子內表(biao)面施脹(zhang)(zhang)部位的(de)(de)單元(yuan)上(shang)，并分三個(ge)(ge)(ge)(ge)階段(duan)(duan)模(mo)擬脹(zhang)(zhang)接過(guo)程(cheng)(cheng)：第一階段(duan)(duan)為(wei)(wei)脹(zhang)(zhang)接壓(ya)(ya)力(li)(li)由(you)零(ling)增(zeng)加至(zhi)規(gui)定的(de)(de)壓(ya)(ya)力(li)(li)，即(ji)脹(zhang)(zhang)接壓(ya)(ya)力(li)(li)加載(zai)段(duan)(duan)；第二(er)階段(duan)(duan)為(wei)(wei)脹(zhang)(zhang)接力(li)(li)停(ting)留一段(duan)(duan)時(shi)間；第三階段(duan)(duan)為(wei)(wei)脹(zhang)(zhang)接壓(ya)(ya)力(li)(li)由(you)規(gui)定值減少至(zhi)零(ling)，即(ji)脹(zhang)(zhang)接壓(ya)(ya)力(li)(li)卸載(zai)段(duan)(duan)。考慮到接觸和(he)材料(liao)非線性的(de)(de)計(ji)算(suan)(suan)收斂速度(du)和(he)計(ji)算(suan)(suan)精(jing)度(du)，每(mei)個(ge)(ge)(ge)(ge)階段(duan)(duan)劃分為(wei)(wei)幾個(ge)(ge)(ge)(ge)載(zai)荷(he)步(bu)，每(mei)個(ge)(ge)(ge)(ge)載(zai)荷(he)步(bu)中增(zeng)加若(ruo)干個(ge)(ge)(ge)(ge)子載(zai)荷(he)步(bu)。為(wei)(wei)提(ti)高求解過(guo)程(cheng)(cheng)的(de)(de)收斂速度(du)。使用(yong)完全的(de)(de)Newton-Raphson迭代(dai)，以保證每(mei)次平衡迭代(dai)使用(yong)正(zheng)切剛度(du)矩(ju)陣，使用(yong)線性搜索使計(ji)算(suan)(suan)穩定化。整(zheng)個(ge)(ge)(ge)(ge)脹(zhang)(zhang)接過(guo)程(cheng)(cheng)所用(yong)時(shi)間為(wei)(wei)2~3s.
D. 模(mo)擬結(jie)果(guo)及分析
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(zao)尺寸偏差、間(jian)隙(xi)Δr=0.125mm時，換熱(re)管的(de)規格為Φ25mm×2mm,管板(ban)孔徑(jing)為25.25mm,模(mo)型如(ru)圖7-15所示。分析(xi)時，選取脹管中間(jian)位(wei)置換熱(re)管外壁的(de)單元A進行有限元分析(xi)，位(wei)置如(ru)圖 7-16。
分(fen)別施加100MPa、142MPa、180MPa、210MPa、240MPa等的脹接力，經過多次計(ji)算發(fa)現，在230MPa時單元A沿R方(fang)向的絕對位(wei)移(yi)量u=0.125005，如圖7-17所示。表明此時換熱管和管板能(neng)有效貼(tie)合。
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。
從模擬結果看出，間隙越大，需要的(de)脹(zhang)接力越大，0.05~0.325mm的(de)間隙在142MPa的(de)脹(zhang)接力下不(bu)能保證換熱管和管板之間緊(jin)密貼(tie)合。
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)果表明，換(huan)熱管屈服強度大時(shi)所需(xu)的(de)脹接力也大。模擬的(de)結(jie)果與式（7-2)計算結(jie)果比較：不考慮偏差時(shi)大約相(xiang)等；間隙大時(shi)，模擬結(jie)果比計算結(jie)果大；間隙小時(shi)，模擬結(jie)果比計算值(zhi)小。
E. 換熱管脹接后殘余(yu)應力
經過脹(zhang)接(jie)后換熱管(guan)發生微小的塑性形變，管(guan)壁各處(chu)會存在殘(can)余脹(zhang)接(jie)應力(li)，在管(guan)外壁取一(yi)單元(yuan)分析其等(deng)效殘(can)余應力(li)情況，不(bu)同情況下等(deng)效殘(can)余應力(li)隨時(shi)間的變化結(jie)果如(ru)圖7-24所示。
分(fen)析(xi)發現(xian)、換(huan)熱管外壁的等效殘(can)余應力(li)處在(zai)20~40MPa之(zhi)間。
四(si)、分析結果討論
不銹鋼管子(zi)的應(ying)力腐蝕由拉應(ying)力和腐蝕介質共同引起(qi)(qi)。裂紋起(qi)(qi)源于管子(zi)外表面，并穿透壁面引起(qi)(qi)泄(xie)漏。通(tong)過公(gong)式計算(suan)和有限(xian)元分析(xi)發現，管子(zi)和管板所需的最小脹接壓力約為(wei)200MPa。在(zai)142MPa脹接壓力下，管子(zi)和管板之(zhi)間(jian)貼合(he)不緊(jin)密，存在(zai)縫隙(xi)。一(yi)旦換(huan)熱管與(yu)換(huan)熱管孔之(zhi)間(jian)現間(jian)隙(xi)，就為(wei)氯離(li)子(zi)的富集創造了條件。
首先(xian)，攜帶微量氯(lv)(lv)離子(zi)的(de)高(gao)溫鍋爐進入縫(feng)隙，水在縫(feng)隙內變成蒸汽后排(pai)出。由于縫(feng)隙內流體緩(huan)慢，進入縫(feng)隙內的(de)氯(lv)(lv)離子(zi)因擴(kuo)散系數(shu)變小(xiao)而(er)不易排(pai)出，特別是在近壁(bi)面，氯(lv)(lv)離子(zi)擴(kuo)散系數(shu)很小(xiao)，氯(lv)(lv)離子(zi)將在壁(bi)面沉積，如圖7-25所示(shi)。
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。
在高溫環(huan)境中(zhong)，少量的(de)氯離子就能引起奧氏(shi)體不(bu)銹鋼應力(li)腐蝕。試驗表(biao)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、分析結(jie)論
①. 通過對換熱(re)(re)管的(de)化學成分分析，說(shuo)明(ming)材料是0Cr18Ni10Ti,滿足GB/T13296-2007《鍋爐、熱(re)(re)交換器用(yong)不銹(xiu)鋼(gang)無縫鋼(gang)管》標準規定要求，鎳(nie)成分稍偏(pian)低(di)，可能會(hui)降低(di)耐蝕(shi)性能，但(dan)該換熱(re)(re)管表面沒(mei)有發(fa)生均(jun)勻腐蝕(shi)，而(er)只是個別區域出現了裂(lie)紋，說(shuo)明(ming)鎳(nie)成分偏(pian)低(di)和裂(lie)紋沒(mei)有直接(jie)關(guan)系。
②. 通過電子(zi)探針和顯(xian)微鏡對裂(lie)紋的觀(guan)察(cha)，可(ke)看出裂(lie)紋源存在于換熱(re)管(guan)的外表面（點蝕），并平行于軸向和管(guan)徑(jing)向發(fa)(fa)展；裂(lie)紋的一個(ge)（或多個(ge)）分支(zhi)在沿徑(jing)向發(fa)(fa)展時遇到材料基體中的缺(que)陷，加劇了腐蝕的程度，繼續(xu)向前(qian)發(fa)(fa)展成為穿透性裂(lie)紋，引起管(guan)內介質泄漏。兩種(zhong)觀(guan)測方(fang)法的結果都顯(xian)示，裂(lie)紋具有典型的應力(li)腐蝕形貌。
③. 電子探(tan)針的(de)掃描結果顯(xian)示(shi)，裂紋縫(feng)隙的(de)腐蝕(shi)產物中含氯、硫(liu)和氧(yang)元素，表(biao)明殼(ke)程廢鍋(guo)水中含有氯離子,為換熱管的(de)應力腐蝕(shi)創造了腐蝕(shi)介質環(huan)境。
④. 管束內壁黑(hei)色(se)附著物中的(de)S元素含量較高，來源于原(yuan)料(liao)煤(mei)；鐵(tie)和鎳是水(shui)煤(mei)氣介質腐蝕設備(bei)形成(cheng)的(de)。這種換熱管的(de)失效與管內的(de)介質無關。
⑤. 在使用脹(zhang)接力計算式(shi)（7-2)時(shi)注意(yi)兩點：
a. 不用考慮尺寸偏差。
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。
根據換熱管(guan)和管(guan)板材料(liao)性(xing)(xing)質(zhi)確定不準確或(huo)尺(chi)(chi)寸(cun)偏差較大的(de)換熱器，建議先進行(xing)脹(zhang)接工藝試驗(yan)，以獲得脹(zhang)接的(de)可靠性(xing)(xing)。為(wei)了降低脹(zhang)接成(cheng)本，應(ying)選(xuan)用尺(chi)(chi)寸(cun)精(jing)度等級較高(gao)的(de)換熱管(guan)，盡(jin)量(liang)減小管(guan)子和管(guan)板之間(jian)的(de)間(jian)隙。
⑥. 有限(xian)元模(mo)擬(ni)和(he)(he)理論計算結果都顯(xian)示，142MPa的脹接(jie)力不能(neng)滿足換熱管和(he)(he)管板密封要求(qiu)。
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
①. 應嚴格控(kong)制耐壓試(shi)驗用水和(he)生產用水中氯離子和(he)硫的(de)含量，定期檢測廢熱鍋爐(lu)的(de)進水和(he)排污水中氯離子和(he)硫的(de)含量。
②. 盡量減(jian)少停車。裝置停車時(shi)，要(yao)排凈鍋爐水(shui)，保證設備處(chu)在干燥狀態。避免出現干濕交替狀態。
③. 設備在進(jin)行修復時或制造下一臺設備時，適當增加(jia)脹接(jie)力，保證貼(tie)脹質量，消除間隙。
④. 對于新造廢熱鍋爐，建議將現用的321不銹鋼更換為2205雙相不銹鋼。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. 建議修復方案：對(dui)新(xin)投用(yong)廢鍋的管(guan)子(zi)-管(guan)板連接處(chu)進行(xing)補脹；對(dui)已(yi)泄漏廢鍋的管(guan)子(zi)-管(guan)板連接處(chu)進行(xing)鉆取管(guan)束，然(ran)后將管(guan)束前移，重新(xin)焊脹。
