浙(zhe)江(jiang)至德鋼業有(you)限(xian)公司以水煤氣(qi)廢熱鍋爐在(zai)高清下載香蕉視頻app蘋果:不銹鋼換熱管和管(guan)板(ban)連(lian)接(jie)(jie)處(chu)的(de)(de)失(shi)效分析為例，說明失(shi)效分析的(de)(de)過程和意義。管(guan)殼式換(huan)(huan)熱(re)器廣泛(fan)應用(yong)于化工、石(shi)油、醫藥和核行業(ye)。管(guan)板(ban)和換(huan)(huan)熱(re)管(guan)連(lian)接(jie)(jie)處(chu)是(shi)一(yi)個關(guan)鍵部位，它們之間的(de)(de)連(lian)接(jie)(jie)一(yi)般(ban)采(cai)用(yong)焊接(jie)(jie)、脹接(jie)(jie)或者(zhe)兩者(zhe)結(jie)合的(de)(de)方法。從文獻報道和實際使(shi)用(yong)情況來看，管(guan)子和管(guan)板(ban)連(lian)接(jie)(jie)處(chu)的(de)(de)腐蝕是(shi)引(yin)起換(huan)(huan)熱(re)器失(shi)效的(de)(de)主(zhu)要原因(yin)。因(yin)此，常采(cai)用(yong)奧氏體高清下載香蕉視頻app蘋果:不銹鋼管子(zi)預防腐蝕(shi)的(de)發生(sheng)。然而，在特定(ding)(ding)的(de)介質和一定(ding)(ding)的(de)拉(la)應力下，奧氏體不銹(xiu)鋼會發生(sheng)高清下載香蕉視頻app蘋果:應力腐蝕開裂。拉應(ying)(ying)(ying)力(li)來(lai)源(yuan)于操作(zuo)壓(ya)力(li)、熱(re)應(ying)(ying)(ying)力(li)或(huo)者制造的(de)(de)殘余(yu)應(ying)(ying)(ying)力(li)。近年來(lai)，人們通過(guo)失(shi)效案例分(fen)析(xi)，對脹接或(huo)焊接殘余(yu)應(ying)(ying)(ying)力(li)情況進行了大量研(yan)究(jiu)，并認為它們在應(ying)(ying)(ying)力(li)腐(fu)蝕(shi)中(zhong)起到(dao)了重(zhong)要作(zuo)用。一些換熱(re)器失(shi)效案例中(zhong)，雖然介質(zhi)中(zhong)氯離子的(de)(de)濃(nong)度(du)非(fei)常小，但是(shi)(shi)奧氏體(ti)不銹鋼(gang)管應(ying)(ying)(ying)力(li)腐(fu)蝕(shi)還會發生。眾多分(fen)析(xi)認為，應(ying)(ying)(ying)力(li)腐(fu)蝕(shi)的(de)(de)發生是(shi)(shi)由氯離子在縫(feng)隙中(zhong)的(de)(de)富集引起的(de)(de)。
現當(dang)介(jie)質(zhi)中(zhong)氯離子濃度僅有5.8mg/kg時，縫(feng)隙(xi)處的(de)濃度值(zhi)可高達2410mg/kg.但管子的(de)應力腐蝕和縫(feng)隙(xi)腐蝕仍(reng)不(bu)能避免。目前，對(dui)于脹(zhang)接(jie)之(zhi)后(hou)還存在縫(feng)隙(xi)的(de)原因不(bu)清楚，因此(ci)，這個(ge)問題將在本章中(zhong)進行重(zhong)點討(tao)論(lun)。
一、失(shi)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(bu)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(zai)使用兩年(nian)左右后，發(fa)現(xian)(xian)出口蒸汽中一(yi)氧化碳含量明顯增高，判斷水煤氣(qi)出現(xian)(xian)泄(xie)漏(lou)。設備停車檢(jian)修時(shi)(shi)(shi)，并(bing)未發(fa)現(xian)(xian)宏觀缺陷。但水壓試(shi)驗(yan)時(shi)(shi)(shi)，發(fa)現(xian)(xian)管(guan)板堆焊層(ceng)11處漏(lou)點(dian)(dian)；后經堵漏(lou)處理，漏(lou)點(dian)(dian)反(fan)而增加到20多(duo)處。第(di)二次水壓試(shi)驗(yan)時(shi)(shi)(shi)，又(you)出現(xian)(xian)新的漏(lou)點(dian)(dian)，同(tong)時(shi)(shi)(shi)，在(zai)管(guan)子內壁發(fa)現(xian)(xian)一(yi)些黑色(se)附(fu)著物，泄(xie)漏(lou)點(dian)(dian)位置和管(guan)內附(fu)著物如圖7-1所示。
二、失(shi)效分析過程和結果
1. 現(xian)場勘(kan)查
首先對不銹鋼管板進(jin)行(xing)著色探傷，未(wei)發現(xian)(xian)裂(lie)紋(wen)，如(ru)圖(tu)(tu)7-2(a)所示(shi)(shi)。其次，對筒體進(jin)行(xing)了檢(jian)查，未(wei)發現(xian)(xian)裂(lie)紋(wen)、腐蝕等現(xian)(xian)象(xiang)，如(ru)圖(tu)(tu)7-2(b)所示(shi)(shi)。經(jing)仔細觀察，泄漏(lou)水珠是(shi)從換熱管內(nei)流出的，因(yin)此(ci)，基本可以確定裂(lie)紋(wen)出現(xian)(xian)在換熱管上。經(jing)滲(shen)透(tou)檢(jian)測和打磨，開(kai)始在管內(nei)壁(bi)未(wei)發現(xian)(xian)裂(lie)紋(wen)，但(dan)經(jing)過滲(shen)透(tou)和打磨之后，出現(xian)(xian)樹(shu)枝狀裂(lie)紋(wen)；隨(sui)著打磨的進(jin)行(xing)，裂(lie)紋(wen)越來(lai)越清晰，并且裂(lie)紋(wen)寬度(du)由管內(nei)向(xiang)外逐(zhu)漸增加，如(ru)圖(tu)(tu)7-2(c)所示(shi)(shi)。因(yin)此(ci)，可以初步(bu)判(pan)斷(duan)裂(lie)紋(wen)起源于管外壁(bi)，向(xiang)內(nei)部擴(kuo)展。
2. 現場取樣(yang)
分別取含有漏點的一段進氣管以及對(dui)應(ying)的出氣管，同時收集了管束(shu)內壁附著物(wu)，如圖7-3所(suo)示。
3. 換(huan)熱管材料分(fen)析
采用(yong)光譜儀(yi)對失效(xiao)換熱管材(cai)料(liao)化(hua)(hua)學(xue)成分進行(xing)了檢測分析，表明換熱管材(cai)料(liao)化(hua)(hua)學(xue)成分基本符合GB 13296-2007《鍋爐、熱交(jiao)換器(qi)用(yong)不銹鋼(gang)無縫(feng)鋼(gang)管》標準中對321不銹鋼(gang)的(de)成分要求，結(jie)果見表7-3.
4. 裂紋檢(jian)查
如圖(tu)7-4所示，把兩取樣(yang)(yang)管(guan)打磨后，在(zai)進氣管(guan)外壁(bi)1、2區域內用肉(rou)眼(yan)可以觀(guan)(guan)察到微小裂(lie)紋，同時還發現在(zai)較粗裂(lie)紋處有一些小凹(ao)坑。在(zai)取樣(yang)(yang)區1取試(shi)樣(yang)(yang)1。觀(guan)(guan)測(ce)取樣(yang)(yang)管(guan)橫(heng)截(jie)(jie)面的裂(lie)紋和金(jin)相(xiang)組織(zhi)(zhi)；在(zai)取樣(yang)(yang)區2取試(shi)樣(yang)(yang)2,用以觀(guan)(guan)察取樣(yang)(yang)管(guan)表面裂(lie)紋、裂(lie)紋內腐蝕產物化(hua)學(xue)成分(fen)和金(jin)相(xiang)組織(zhi)(zhi)；在(zai)取樣(yang)(yang)區3取試(shi)樣(yang)(yang)3,用以觀(guan)(guan)測(ce)取樣(yang)(yang)管(guan)縱(zong)截(jie)(jie)面的裂(lie)紋和金(jin)相(xiang)組織(zhi)(zhi)。同時，在(zai)出氣管(guan)的取樣(yang)(yang)區4、5取試(shi)樣(yang)(yang)4和試(shi)樣(yang)(yang)5,分(fen)別(bie)觀(guan)(guan)測(ce)橫(heng)、縱(zong)截(jie)(jie)面裂(lie)紋和金(jin)相(xiang)組織(zhi)(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: 顯微鏡下觀察(cha)(cha)到換熱管(guan)表面裂紋平行(xing)于軸向擴展，有主干和(he)分支之(zhi)分，為明(ming)顯的(de)穿晶型(xing)裂紋。金相組織(zhi)為單相奧氏體，有孿晶分布，晶粒(li)(li)較(jiao)均勻(yun)，符合(he)321不銹鋼固溶處理(li)的(de)組織(zhi)要求(qiu)。同時(shi)，也(ye)觀察(cha)(cha)到一些顆(ke)粒(li)(li)較(jiao)大的(de)夾雜物，如圖7-7所(suo)示。
試(shi)樣3~5: 顯微(wei)(wei)鏡下，試(shi)樣3(進氣(qi)管縱截(jie)面(mian)）以(yi)及試(shi)樣4、5(出氣(qi)管縱、橫截(jie)面(mian)）均未(wei)發現(xian)裂紋。金相(xiang)組織為單相(xiang)奧氏體，有(you)孿晶分布，晶粒較(jiao)均勻，符合321不銹(xiu)鋼固溶處理(li)的組織要求，如圖7-8和(he)圖7-9。在試(shi)樣3顯微(wei)(wei)組織中發現(xian)有(you)TiN夾(jia)雜物，但量很少，屬正常現(xian)象(xiang)。
5. 裂(lie)紋縫隙內雜(za)質成(cheng)分分析
為了分(fen)(fen)析(xi)(xi)裂(lie)紋縫隙(xi)內腐(fu)蝕產(chan)物(wu)的(de)(de)化學(xue)成(cheng)(cheng)分(fen)(fen)，取試樣2外(wai)壁裂(lie)紋區(qu)域進行了電子探針檢測(ce)。掃(sao)描(miao)區(qu)域的(de)(de)顯微形貌見圖7-10(a),裂(lie)紋有主(zhu)(zhu)次之分(fen)(fen)，并(bing)平行于軸向發展。掃(sao)描(miao)波譜結果見圖7-10(b),表7-4列出了裂(lie)紋內腐(fu)蝕產(chan)物(wu)部分(fen)(fen)成(cheng)(cheng)分(fen)(fen)的(de)(de)半定(ding)量分(fen)(fen)析(xi)(xi)結果。在檢測(ce)中(zhong)(zhong)發現(xian)，腐(fu)蝕產(chan)物(wu)的(de)(de)主(zhu)(zhu)要(yao)金屬成(cheng)(cheng)分(fen)(fen)為鐵和(he)鉻,非金屬元素(su)為氯、硫和(he)氧，在波譜上能(neng)看到明顯的(de)(de)Cl峰(feng)和(he)S峰(feng)，說明該廢鍋的(de)(de)運行環(huan)境中(zhong)(zhong)殼程介質含有的(de)(de)氯、硫可(ke)能(neng)是介質中(zhong)(zhong)的(de)(de)也可(ke)能(neng)是材質本身的(de)(de)。
6. 管(guan)壁附著物的化學成(cheng)分(fen)分(fen)析
為了確定(ding)換熱(re)管內壁黑色附著物的(de)成(cheng)(cheng)分(fen)，在附著物較厚處取下一些(xie)樣(yang)品。為全面分(fen)析附著物的(de)化學成(cheng)(cheng)分(fen)，采(cai)用電(dian)感耦合等離子體－發射光(guang)譜(pu)法(fa)檢(jian)(jian)測(ce)(ce)金(jin)屬元(yuan)(yuan)素(su)(su)、元(yuan)(yuan)素(su)(su)分(fen)析法(fa)檢(jian)(jian)測(ce)(ce)碳和硫元(yuan)(yuan)素(su)(su)、離子色譜(pu)法(fa)檢(jian)(jian)測(ce)(ce)氯元(yuan)(yuan)素(su)(su)。檢(jian)(jian)測(ce)(ce)結果顯示，主要金(jin)屬元(yuan)(yuan)素(su)(su)是(shi)鐵,質量分(fen)數為30%,另外還有(you)少量的(de)鎳、砷、氯等；非(fei)金(jin)屬硫元(yuan)(yuan)素(su)(su)的(de)含量非(fei)常(chang)高，達到34%,當硫元(yuan)(yuan)素(su)(su)以(yi)濕硫化氫存(cun)在時，也會引起奧氏(shi)體不銹(xiu)鋼應力腐蝕。
7. 廢熱鍋(guo)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,排污水中的氯離子(zi)含量未進行檢測；水煤氣冷凝液中氯離子含量為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。
通過以(yi)上綜合(he)分析可以(yi)判斷，不(bu)銹鋼(gang)管(guan)(guan)子(zi)(zi)(zi)的(de)(de)(de)(de)裂紋是由(you)應力(li)腐蝕引起的(de)(de)(de)(de)。管(guan)(guan)子(zi)(zi)(zi)脹(zhang)(zhang)接后(hou)會(hui)產(chan)生殘(can)余應力(li)，管(guan)(guan)板(ban)和(he)管(guan)(guan)子(zi)(zi)(zi)焊(han)接后(hou)也會(hui)產(chan)生殘(can)余應力(li)。很多(duo)文獻已(yi)經證明(ming)脹(zhang)(zhang)接和(he)焊(han)接殘(can)余應力(li)的(de)(de)(de)(de)存在。在設(she)備檢(jian)修(xiu)時，換熱管(guan)(guan)貼脹(zhang)(zhang)部位的(de)(de)(de)(de)管(guan)(guan)子(zi)(zi)(zi)在去除強(qiang)度焊(han)焊(han)縫(feng)(feng)后(hou)很容(rong)易從管(guan)(guan)板(ban)中(zhong)取出，說明(ming)管(guan)(guan)子(zi)(zi)(zi)與管(guan)(guan)板(ban)之間存在微小的(de)(de)(de)(de)縫(feng)(feng)隙(xi)。介質中(zhong)微量的(de)(de)(de)(de)氯離子(zi)(zi)(zi)可以(yi)在縫(feng)(feng)隙(xi)內濃縮(suo)，使其濃度升高(gao)。
三、最小脹緊壓力計算(suan)
管子和管板(ban)(ban)之(zhi)間(jian)貼脹(zhang)(zhang)是否緊密(mi)主要取決于(yu)脹(zhang)(zhang)接(jie)壓(ya)力(li)(li)(li)的(de)(de)大(da)小。貼脹(zhang)(zhang)壓(ya)力(li)(li)(li)過小，換熱管和管板(ban)(ban)孔(kong)間(jian)會(hui)存在縫隙；脹(zhang)(zhang)接(jie)壓(ya)力(li)(li)(li)過大(da)，管板(ban)(ban)和管子之(zhi)間(jian)產生較大(da)的(de)(de)接(jie)觸應力(li)(li)(li)，使管外壁因受管板(ban)(ban)孔(kong)的(de)(de)擠壓(ya)而產生額外的(de)(de)應力(li)(li)(li)。因此，有必要對貼脹(zhang)(zhang)的(de)(de)最(zui)小壓(ya)力(li)(li)(li)進行討論。下面通過理(li)論計算和有限元(yuan)數值模擬來分析本(ben)失(shi)效案例中所需的(de)(de)最(zui)小貼脹(zhang)(zhang)壓(ya)力(li)(li)(li)。
1. 換熱管(guan)力(li)學性能測試(shi)
為(wei)獲得準確的(de)(de)換(huan)熱管(guan)材(cai)料特性，特從廢熱鍋爐制(zhi)(zhi)造廠家獲取管(guan)材(cai)，采用萬能拉伸試(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)驗設備進(jin)行材(cai)料的(de)(de)拉伸試(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)驗。材(cai)料試(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)樣的(de)(de)制(zhi)(zhi)造及拉伸試(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)驗過程按照GB/T228.1-2010《金屬材(cai)料拉伸試(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)驗第(di)1部分；室溫(wen)試(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)驗方法(fa)》標(biao)準進(jin)行試(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)驗。試(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)樣圖紙以及加(jia)工試(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)樣如圖7-11所示(shi)，拉伸試(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)驗的(de)(de)應力－應變曲線如圖7-12所示(shi)。
2. 脹(zhang)接力的理(li)論計(ji)算
液壓脹(zhang)接(jie)是(shi)一種柔性脹(zhang)接(jie)技術，壓力均勻地作用于(yu)不(bu)銹鋼管(guan)子(zi)(zi)(zi)內壁，管(guan)子(zi)(zi)(zi)的(de)變形(xing)在幾秒鐘內完成。由(you)于(yu)管(guan)子(zi)(zi)(zi)沒有受(shou)到反復碾壓，這(zhe)種脹(zhang)接(jie)過程難以達到對管(guan)子(zi)(zi)(zi)與管(guan)板之(zhi)問粗糙表而(er)的(de)“填平”效(xiao)果。為保(bao)證脹(zhang)接(jie)質量，管(guan)板孔(kong)的(de)加工(gong)粗糙度應控制在Ra6.3μm以內。
根據(ju)液壓脹管機(ji)廠家(jia)提供(gong)的(de)資(zi)料，可按下列方(fang)法計算脹接(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(zai)實際的(de)(de)制(zhi)造中，管(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)板(ban)(ban)(ban)孔徑(jing)(jing)(jing)D和(he)(he)(he)換(huan)(huan)熱(re)管(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)的(de)(de)壁(bi)厚(hou)(hou)(hou)(hou)都(dou)允(yun)許(xu)(xu)(xu)存在(zai)偏(pian)(pian)(pian)差(cha)。根(gen)(gen)(gen)據換(huan)(huan)熱(re)器制(zhi)造相關標(biao)(biao)準的(de)(de)規(gui)定，一級(ji)(ji)(ji)管(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)束管(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)板(ban)(ban)(ban)孔直徑(jing)(jing)(jing)是625.25mm時(shi)(shi)，允(yun)許(xu)(xu)(xu)偏(pian)(pian)(pian)差(cha)為(wei)0~+0.15.根(gen)(gen)(gen)據GB/T 17395-2008《無縫(feng)鋼管(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)尺寸(cun)、外形、重量(liang)及(ji)允(yun)許(xu)(xu)(xu)偏(pian)(pian)(pian)差(cha)》標(biao)(biao)準的(de)(de)規(gui)定、管(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)子(zi)外徑(jing)(jing)(jing)偏(pian)(pian)(pian)差(cha)分為(wei)標(biao)(biao)準化(hua)外徑(jing)(jing)(jing)允(yun)許(xu)(xu)(xu)偏(pian)(pian)(pian)差(cha)四(si)級(ji)(ji)(ji)和(he)(he)(he)非(fei)標(biao)(biao)準化(hua)外徑(jing)(jing)(jing)允(yun)許(xu)(xu)(xu)偏(pian)(pian)(pian)差(cha)四(si)級(ji)(ji)(ji)。根(gen)(gen)(gen)據管(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)孔公差(cha)，能與管(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)板(ban)(ban)(ban)孔配合(he)的(de)(de)管(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)子(zi)公差(cha)范(fan)圍(wei)為(wei)D4級(ji)(ji)(ji)士0.10、ND4級(ji)(ji)(ji)士0.20兩(liang)(liang)種。由于管(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)板(ban)(ban)(ban)孔直徑(jing)(jing)(jing)和(he)(he)(he)換(huan)(huan)熱(re)管(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)外徑(jing)(jing)(jing)和(he)(he)(he)壁(bi)厚(hou)(hou)(hou)(hou)制(zhi)造尺寸(cun)偏(pian)(pian)(pian)差(cha)的(de)(de)存在(zai)，會(hui)影(ying)響換(huan)(huan)熱(re)管(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)和(he)(he)(he)管(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)板(ban)(ban)(ban)孔之(zhi)間(jian)(jian)空隙(xi)(xi)的(de)(de)大小(xiao)。在(zai)不(bu)考慮偏(pian)(pian)(pian)差(cha)時(shi)(shi)，換(huan)(huan)熱(re)管(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)和(he)(he)(he)管(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)板(ban)(ban)(ban)孔之(zhi)間(jian)(jian)間(jian)(jian)隙(xi)(xi)為(wei)Δr=0.125mm;考慮偏(pian)(pian)(pian)差(cha)時(shi)(shi)，即對D4級(ji)(ji)(ji)管(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)子(zi)和(he)(he)(he)管(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)板(ban)(ban)(ban)孔配合(he)的(de)(de)最大間(jian)(jian)隙(xi)(xi)為(wei)Δrmax=0.250mm,最小(xiao)間(jian)(jian)隙(xi)(xi)為(wei)Δrmin=0.075mm;對ND4級(ji)(ji)(ji)管(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)子(zi)和(he)(he)(he)管(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)板(ban)(ban)(ban)孔配合(he)的(de)(de)最大間(jian)(jian)隙(xi)(xi)為(wei)Δrmax=0.300mm,最小(xiao)間(jian)(jian)隙(xi)(xi)為(wei)Δrmin=0.025mm.根(gen)(gen)(gen)據GB/T 17395-2008《無縫(feng)鋼管(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)尺寸(cun)、外形、重量(liang)及(ji)允(yun)許(xu)(xu)(xu)偏(pian)(pian)(pian)差(cha)》標(biao)(biao)準的(de)(de)規(gui)定，管(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)子(zi)壁(bi)厚(hou)(hou)(hou)(hou)偏(pian)(pian)(pian)差(cha)分為(wei)標(biao)(biao)準化(hua)壁(bi)厚(hou)(hou)(hou)(hou)允(yun)許(xu)(xu)(xu)偏(pian)(pian)(pian)差(cha)九級(ji)(ji)(ji)（含亞級(ji)(ji)(ji)）和(he)(he)(he)非(fei)標(biao)(biao)準化(hua)壁(bi)厚(hou)(hou)(hou)(hou)允(yun)許(xu)(xu)(xu)偏(pian)(pian)(pian)差(cha)四(si)級(ji)(ji)(ji)。按換(huan)(huan)熱(re)管(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)強度要求，可(ke)供(gong)選擇的(de)(de)換(huan)(huan)熱(re)管(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)壁(bi)厚(hou)(hou)(hou)(hou)偏(pian)(pian)(pian)差(cha)有：S3A級(ji)(ji)(ji)±0.20、S4A級(ji)(ji)(ji)±0.15、S5級(ji)(ji)(ji)±0.10、NS1級(ji)(ji)(ji)－0.25~+0.30、NS2級(ji)(ji)(ji)＋0.30~-0.20、NS3級(ji)(ji)(ji)＋0.25~-0.20、NS4級(ji)(ji)(ji)－0.15~+0.25.表(biao)7-7列出了兩(liang)(liang)種公差(cha)配合(he)下，NS3級(ji)(ji)(ji)－0.20~+0.25的(de)(de)壁(bi)厚(hou)(hou)(hou)(hou)偏(pian)(pian)(pian)差(cha)下，根(gen)(gen)(gen)據式（7-2)計算出的(de)(de)脹接力Pmin的(de)(de)數值。
從表7-7來看(kan)，Δr=0.125mm時，ReLt＝205MPa 計算(suan)出的脹(zhang)接力為(wei)142MPa，ReLt＝292MPa時的脹(zhang)接力為(wei)202MPa,兩者(zhe)差距(ju)較(jiao)大(da)。在脹(zhang)接件(jian)的尺(chi)(chi)寸確定的條件(jian)下，脹(zhang)接力Pmin，隨屈(qu)服(fu)強度的增加而增大(da)；在同一屈(qu)服(fu)強度下，脹(zhang)接力隨著管板(ban)之間空隙的減小而增大(da)，這(zhe)(zhe)顯然是與(yu)實際情(qing)況不(bu)符的。這(zhe)(zhe)說明武（7-2)沒有(you)考慮脹(zhang)接件(jian)的尺(chi)(chi)寸偏差，因此在使用式（7-2)時不(bu)能把尺(chi)(chi)寸偏差帶入其中(zhong)。
不考慮尺寸偏差，管板(ban)的Rep=370MPa時，換熱管不同屈服強(qiang)度下根據式（7-3)計算出(chu)的最(zui)大脹接力P max見(jian)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)接(jie)(jie)件的(de)(de)(de)加(jia)工尺(chi)寸(cun)偏差除了影響脹(zhang)接(jie)(jie)力的(de)(de)(de)大(da)(da)小，還(huan)直(zhi)接(jie)(jie)影響液(ye)袋式液(ye)壓脹(zhang)管(guan)成本。在超(chao)高壓的(de)(de)(de)脹(zhang)接(jie)(jie)壓力作(zuo)用下(xia)，管(guan)子(zi)(zi)向外膨脹(zhang)，間隙(xi)越(yue)大(da)(da)，管(guan)子(zi)(zi)的(de)(de)(de)形變越(yue)大(da)(da)，因而(er)液(ye)袋脹(zhang)頭(tou)與管(guan)子(zi)(zi)內壁之(zhi)間的(de)(de)(de)間隙(xi)將隨著尺(chi)寸(cun)偏差加(jia)大(da)(da)而(er)增大(da)(da)。液(ye)袋在超(chao)高壓作(zuo)用下(xia)，具(ju)有向間隙(xi)中流動的(de)(de)(de)趨勢，使液(ye)袋受到損傷(shang)。在同樣的(de)(de)(de)脹(zhang)接(jie)(jie)壓力下(xia)，脹(zhang)頭(tou)頭(tou)部(bu)的(de)(de)(de)尺(chi)寸(cun)與管(guan)子(zi)(zi)變形后(hou)的(de)(de)(de)間隙(xi)越(yue)大(da)(da)，液(ye)袋越(yue)易損壞，這種損傷(shang)隨著間隙(xi)的(de)(de)(de)增大(da)(da)成幾何級數加(jia)劇(ju)。
3. 脹接壓力有限元(yuan)分析
為(wei)了解在多大的(de)脹(zhang)(zhang)接(jie)(jie)力(li)(li)下換(huan)熱管(guan)(guan)和管(guan)(guan)板(ban)能有效貼合，現對(dui)換(huan)熱管(guan)(guan)-管(guan)(guan)板(ban)焊脹(zhang)(zhang)連接(jie)(jie)處(chu)進行有限元分析。根據脹(zhang)(zhang)管(guan)(guan)和管(guan)(guan)板(ban)的(de)實際尺寸(cun)建立(li)模型圖，施加不同的(de)脹(zhang)(zhang)接(jie)(jie)力(li)(li)，觀察脹(zhang)(zhang)接(jie)(jie)效果。在分析時(shi)，考慮7.3.2節分析的(de)制造尺寸(cun)偏差(cha)情況和材料的(de)力(li)(li)學性(xing)能對(dui)脹(zhang)(zhang)接(jie)(jie)力(li)(li)的(de)影響(xiang)。
A. 基(ji)本參數
換熱管(guan)(guan)的(de)(de)規格為(wei)Φ25mm×2mm,換熱管(guan)(guan)在(zai)管(guan)(guan)板(ban)上(shang)以等邊三角形的(de)(de)形狀排列(lie)，孔(kong)中心距為(wei)32mm,管(guan)(guan)板(ban)孔(kong)徑為(wei)25.25mm+0.15mm.換熱管(guan)(guan)和(he)管(guan)(guan)板(ban)的(de)(de)連(lian)接(jie)方式采用強度焊(han)＋液壓(ya)脹(zhang)，脹(zhang)接(jie)力(li)為(wei)142MPa.管(guan)(guan)程工作壓(ya)力(li)為(wei)6.28MPa;換熱管(guan)(guan)的(de)(de)一端伸出堆焊(han)層的(de)(de)長(chang)(chang)度為(wei)2.5mm,脹(zhang)接(jie)從距離換熱管(guan)(guan)口17.5mm處開始脹(zhang)接(jie)部(bu)分共長(chang)(chang)268mm,管(guan)(guan)板(ban)與換熱管(guan)(guan)連(lian)接(jie)的(de)(de)結(jie)構圖(tu)如圖(tu)7-13所(suo)示，根(gen)據(ju)實際結(jie)構尺寸簡畫出的(de)(de)幾何圖(tu)如圖(tu)7-14所(suo)示。
B. 有限元模型
總體(ti)坐(zuo)標采用柱(zhu)坐(zuo)標系，以換(huan)熱管軸線為Z軸，徑向為R,建立(li)二維模(mo)型。管板和換熱管均采(cai)用軸(zhou)對稱 plane182單(dan)元，TARGE169目標(biao)面單(dan)元和CONTA172接觸面(mian)單元建立換熱管與管板間的(de)柔性(xing)面(mian)－面(mian)接觸對，網格采用(yong)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(yong)(yong)貼脹(zhang)(zhang)時，換熱(re)(re)管(guan)(guan)在(zai)脹(zhang)(zhang)接(jie)(jie)過程中(zhong)會發生微(wei)小的(de)塑(su)性(xing)(xing)形(xing)變(bian)(bian)，管(guan)(guan)板(ban)只(zhi)產(chan)生彈性(xing)(xing)形(xing)變(bian)(bian)。因此，在(zai)ANSYS分(fen)析過程中(zhong)，采用(yong)(yong)塑(su)性(xing)(xing)模型(xing)中(zhong)隨動(dong)強(qiang)化Mises率(lv)不相關(guan)的(de)多(duo)線性(xing)(xing)模型(xing)作(zuo)為換熱(re)(re)管(guan)(guan)的(de)材料本構關(guan)系模型(xing)，數據(ju)取自(zi)321不銹(xiu)鋼實測應(ying)力(li)-應(ying)變(bian)(bian)曲線；管(guan)(guan)板(ban)采用(yong)(yong)各向同性(xing)(xing)的(de)彈性(xing)(xing)模型(xing)。脹(zhang)(zhang)接(jie)(jie)過程是(shi)在(zai)換熱(re)(re)管(guan)(guan)的(de)內表面(mian)施加不同的(de)壓(ya)力(li)值，使傳(chuan)熱(re)(re)管(guan)(guan)發生塑(su)性(xing)(xing)變(bian)(bian)形(xing)而管(guan)(guan)板(ban)發生彈性(xing)(xing)變(bian)(bian)形(xing)，卸掉載荷(he)后(hou)管(guan)(guan)板(ban)緊(jin)(jin)緊(jin)(jin)地壓(ya)緊(jin)(jin)傳(chuan)熱(re)(re)管(guan)(guan)，達到(dao)連(lian)接(jie)(jie)的(de)目的(de)。根據(ju)模型(xing)的(de)對稱(cheng)性(xing)(xing)，管(guan)(guan)板(ban)的(de)表面(mian)是(shi)固(gu)定不動(dong)的(de)，在(zai)模型(xing)中(zhong)設置為完全約束。換熱(re)(re)管(guan)(guan)在(zai)脹(zhang)(zhang)接(jie)(jie)的(de)過程中(zhong)軸(zhou)是(shi)沒(mei)有位移的(de)，所以在(zai)傳(chuan)熱(re)(re)管(guan)(guan)的(de)軸(zhou)向設定約束。
C. 脹(zhang)接過(guo)程模擬
通過(guo)(guo)載(zai)荷增(zeng)量法將(jiang)脹接(jie)(jie)壓力(li)(li)施(shi)加到管子內(nei)表面(mian)施(shi)脹部位的(de)(de)單(dan)元上，并分三(san)個(ge)階(jie)段(duan)(duan)模擬脹接(jie)(jie)過(guo)(guo)程：第(di)一階(jie)段(duan)(duan)為脹接(jie)(jie)壓力(li)(li)由零(ling)增(zeng)加至(zhi)規(gui)定(ding)(ding)的(de)(de)壓力(li)(li)，即脹接(jie)(jie)壓力(li)(li)加載(zai)段(duan)(duan)；第(di)二階(jie)段(duan)(duan)為脹接(jie)(jie)力(li)(li)停留一段(duan)(duan)時間(jian)；第(di)三(san)階(jie)段(duan)(duan)為脹接(jie)(jie)壓力(li)(li)由規(gui)定(ding)(ding)值減(jian)少至(zhi)零(ling)，即脹接(jie)(jie)壓力(li)(li)卸載(zai)段(duan)(duan)。考(kao)慮到接(jie)(jie)觸(chu)和材料非線性的(de)(de)計(ji)算收斂速(su)度和計(ji)算精度，每(mei)個(ge)階(jie)段(duan)(duan)劃分為幾個(ge)載(zai)荷步(bu)，每(mei)個(ge)載(zai)荷步(bu)中增(zeng)加若干個(ge)子載(zai)荷步(bu)。為提高求解(jie)過(guo)(guo)程的(de)(de)收斂速(su)度。使用(yong)完全的(de)(de)Newton-Raphson迭代，以保證每(mei)次平(ping)衡迭代使用(yong)正切剛(gang)度矩陣，使用(yong)線性搜索使計(ji)算穩定(ding)(ding)化。整(zheng)個(ge)脹接(jie)(jie)過(guo)(guo)程所用(yong)時間(jian)為2~3s.
D. 模擬結果及(ji)分(fen)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. 無制(zhi)造尺(chi)寸偏差、間隙(xi)Δr=0.125mm時(shi)，換熱管的規格(ge)為(wei)Φ25mm×2mm,管板孔徑為(wei)25.25mm,模型(xing)如圖7-15所示。分析時(shi)，選取脹管中(zhong)間位置換熱管外壁的單元A進行有限元分析，位置如圖 7-16。
分(fen)別施加100MPa、142MPa、180MPa、210MPa、240MPa等的(de)脹接力，經過多次計算發現，在230MPa時單元A沿(yan)R方向的(de)絕對位移量u=0.125005，如圖(tu)7-17所示(shi)。表明(ming)此時換熱管(guan)(guan)和管(guan)(guan)板(ban)能(neng)有效貼合。
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(ni)結果看出(chu)，間隙越大，需(xu)要的(de)脹(zhang)接力(li)越大，0.05~0.325mm的(de)間隙在142MPa的(de)脹(zhang)接力(li)下不能保(bao)證換(huan)熱(re)管和管板之間緊密(mi)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(ming)，換熱管屈服強度大(da)時(shi)(shi)所需的(de)脹接(jie)力也大(da)。模擬(ni)(ni)的(de)結(jie)果與式（7-2)計(ji)算(suan)結(jie)果比較：不考(kao)慮(lv)偏差(cha)時(shi)(shi)大(da)約(yue)相等(deng)；間(jian)隙大(da)時(shi)(shi)，模擬(ni)(ni)結(jie)果比計(ji)算(suan)結(jie)果大(da)；間(jian)隙小時(shi)(shi)，模擬(ni)(ni)結(jie)果比計(ji)算(suan)值小。
E. 換(huan)熱(re)管脹(zhang)接后殘余(yu)應力
經過脹(zhang)接(jie)后換熱管發生微小(xiao)的塑性形變(bian)(bian)，管壁各(ge)處會存在殘余(yu)脹(zhang)接(jie)應力(li)，在管外壁取一單元分析其(qi)等(deng)效殘余(yu)應力(li)情況，不(bu)同情況下等(deng)效殘余(yu)應力(li)隨時間的變(bian)(bian)化結果如圖7-24所示。
分(fen)析發(fa)現、換熱管外(wai)壁的等效殘余應(ying)力處在20~40MPa之間。
四、分析結果討論
不(bu)(bu)銹鋼(gang)管(guan)子(zi)(zi)的應力腐蝕由(you)拉應力和腐蝕介質共同引起(qi)。裂紋起(qi)源(yuan)于管(guan)子(zi)(zi)外表面，并穿透壁面引起(qi)泄漏。通過公式(shi)計算和有(you)限(xian)元分(fen)析發現，管(guan)子(zi)(zi)和管(guan)板所需的最小脹(zhang)接壓(ya)力約為200MPa。在142MPa脹(zhang)接壓(ya)力下，管(guan)子(zi)(zi)和管(guan)板之間貼合不(bu)(bu)緊(jin)密，存在縫隙。一旦換熱管(guan)與(yu)換熱管(guan)孔之間現間隙，就為氯(lv)離子(zi)(zi)的富集創造(zao)了(le)條件。
首先，攜帶微量氯(lv)(lv)離(li)子的(de)高溫鍋爐(lu)進入(ru)縫隙，水(shui)在縫隙內(nei)變(bian)成蒸汽后排出。由于縫隙內(nei)流體(ti)緩慢，進入(ru)縫隙內(nei)的(de)氯(lv)(lv)離(li)子因擴(kuo)散系數(shu)變(bian)小(xiao)而(er)不易排出，特別是(shi)在近壁面，氯(lv)(lv)離(li)子擴(kuo)散系數(shu)很小(xiao)，氯(lv)(lv)離(li)子將(jiang)在壁面沉積，如圖7-25所示。
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。
在高溫環境中，少量的氯(lv)離子就能引起奧氏體不銹鋼(gang)應(ying)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、分析結論
①. 通過對換(huan)熱管(guan)(guan)的化學(xue)成(cheng)分分析，說明(ming)材料(liao)是(shi)0Cr18Ni10Ti,滿足GB/T13296-2007《鍋爐、熱交換(huan)器用不銹鋼(gang)無(wu)縫鋼(gang)管(guan)(guan)》標準規定要求，鎳成(cheng)分稍(shao)偏(pian)低(di)，可(ke)能(neng)會降低(di)耐蝕(shi)性(xing)能(neng)，但(dan)該換(huan)熱管(guan)(guan)表面沒有發(fa)生均勻腐蝕(shi)，而只(zhi)是(shi)個別區域出現了裂紋，說明(ming)鎳成(cheng)分偏(pian)低(di)和(he)裂紋沒有直(zhi)接(jie)關系。
②. 通(tong)過電子探針(zhen)和顯微鏡對裂(lie)紋(wen)的(de)觀察，可看出(chu)裂(lie)紋(wen)源存在(zai)于換熱管的(de)外表面（點蝕），并平行于軸(zhou)向(xiang)和管徑向(xiang)發(fa)展；裂(lie)紋(wen)的(de)一(yi)個（或多個）分支在(zai)沿徑向(xiang)發(fa)展時(shi)遇(yu)到材料基體中的(de)缺陷，加劇(ju)了(le)腐蝕的(de)程(cheng)度(du)，繼續(xu)向(xiang)前發(fa)展成為穿透性(xing)裂(lie)紋(wen)，引起管內介質泄漏。兩(liang)種觀測方法的(de)結(jie)果都(dou)顯示，裂(lie)紋(wen)具有典型的(de)應力腐蝕形貌。
③. 電(dian)子探針的掃描結果(guo)顯示，裂(lie)紋縫隙的腐蝕(shi)產物中(zhong)含氯、硫和氧元素，表明殼程廢鍋水(shui)中(zhong)含有氯離子,為換熱(re)管的應力腐蝕(shi)創造(zao)了腐蝕(shi)介質環(huan)境。
④. 管(guan)束內壁黑(hei)色附(fu)著物(wu)中的S元素(su)含量(liang)較高，來源于原料煤；鐵(tie)和鎳是水煤氣介質腐蝕設備(bei)形(xing)成的。這(zhe)種換熱管(guan)的失效與管(guan)內的介質無關。
⑤. 在使用脹(zhang)接力計算式（7-2)時注意兩點：
a. 不用考(kao)慮尺(chi)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。
根據換熱管和管板(ban)材料(liao)性(xing)質(zhi)確(que)定不準確(que)或尺(chi)寸偏(pian)差較(jiao)大的換熱器，建議先進(jin)行脹(zhang)接工藝(yi)試(shi)驗，以獲得脹(zhang)接的可靠(kao)性(xing)。為了降低脹(zhang)接成本，應(ying)選(xuan)用尺(chi)寸精(jing)度等級較(jiao)高的換熱管，盡量減小管子和管板(ban)之間的間隙。
⑥. 有限元模擬和理(li)論計算結果都顯示，142MPa的脹接力不能滿足換熱管和管板密封(feng)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(lv)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(ying)嚴格控制耐壓(ya)試驗用水和生產用水中氯(lv)離子和硫(liu)的(de)含量(liang)，定期檢測廢熱(re)鍋爐的(de)進水和排(pai)污(wu)水中氯(lv)離子和硫(liu)的(de)含量(liang)。
②. 盡量減少停車。裝置停車時(shi)，要排凈鍋(guo)爐水，保證設(she)備(bei)處在(zai)干燥狀(zhuang)態。避免出現(xian)干濕交替狀(zhuang)態。
③. 設(she)(she)備在進行修復時或制(zhi)造下一臺設(she)(she)備時，適(shi)當增加脹接力，保證貼(tie)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雙相不銹(xiu)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(fang)案：對新投用廢鍋(guo)的(de)管(guan)子-管(guan)板連接(jie)(jie)處(chu)進行補脹(zhang)；對已泄(xie)漏(lou)廢鍋(guo)的(de)管(guan)子-管(guan)板連接(jie)(jie)處(chu)進行鉆取管(guan)束，然后將管(guan)束前移(yi)，重新焊(han)脹(zhang)。
