浙江至德鋼(gang)業有限公司(si)以水煤(mei)氣廢熱鍋爐在在線亞洲日產一區二區:不銹鋼換熱管和管板連(lian)(lian)接(jie)(jie)處的(de)(de)失(shi)效(xiao)分析為例，說明失(shi)效(xiao)分析的(de)(de)過(guo)程和意義。管殼(ke)式換熱器廣(guang)泛應(ying)用(yong)于化工、石油、醫藥和核行(xing)業。管板和換熱管連(lian)(lian)接(jie)(jie)處是一個關鍵部位，它們之間的(de)(de)連(lian)(lian)接(jie)(jie)一般(ban)采用(yong)焊(han)接(jie)(jie)、脹接(jie)(jie)或者(zhe)兩者(zhe)結合(he)的(de)(de)方法。從文獻報道和實(shi)際使用(yong)情況來看，管子和管板連(lian)(lian)接(jie)(jie)處的(de)(de)腐(fu)蝕是引起(qi)換熱器失(shi)效(xiao)的(de)(de)主要原因。因此(ci)，常采用(yong)奧氏體在線亞洲日產一區二區:不銹鋼管子預防腐蝕的發生(sheng)。然而，在(zai)特定(ding)的介質(zhi)和一定(ding)的拉應力下，奧(ao)氏體不銹鋼(gang)會發生(sheng)在線亞洲日產一區二區:應力腐蝕開裂。拉應力(li)來源于(yu)操作壓力(li)、熱應力(li)或者制造的(de)(de)殘余應力(li)。近年來，人們(men)通過失效案(an)例分析(xi)，對脹接(jie)或焊接(jie)殘余應力(li)情況進行了大量研究，并認為它們(men)在(zai)(zai)應力(li)腐蝕中起(qi)到了重要作用。一(yi)些換熱器失效案(an)例中，雖然介質中氯離子的(de)(de)濃度非常(chang)小，但是奧(ao)氏體不(bu)銹鋼(gang)管應力(li)腐蝕還會發(fa)生。眾(zhong)多分析(xi)認為，應力(li)腐蝕的(de)(de)發(fa)生是由氯離子在(zai)(zai)縫隙中的(de)(de)富集引(yin)起(qi)的(de)(de)。
現當介質中氯離子濃度僅有5.8mg/kg時，縫隙(xi)處的濃度值可高(gao)達2410mg/kg.但管子的應力腐(fu)蝕和縫隙(xi)腐(fu)蝕仍不能(neng)避免。目前(qian)，對于(yu)脹接之(zhi)后還存在縫隙(xi)的原因不清(qing)楚，因此，這個問題將(jiang)在本章中進行(xing)重(zhong)點討論(lun)。
一、失效案例介(jie)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(you)后，發現出口蒸汽中(zhong)一(yi)氧化(hua)碳含量(liang)明顯增高，判斷水煤氣出現泄漏(lou)(lou)。設備停車檢修時(shi)，并未發現宏觀缺陷。但水壓試驗時(shi)，發現管板堆焊層11處漏(lou)(lou)點(dian)；后經堵漏(lou)(lou)處理(li)，漏(lou)(lou)點(dian)反而增加到20多處。第二(er)次水壓試驗時(shi)，又出現新的漏(lou)(lou)點(dian)，同(tong)時(shi)，在管子內(nei)壁發現一(yi)些黑色附(fu)著(zhu)物，泄漏(lou)(lou)點(dian)位置和(he)管內(nei)附(fu)著(zhu)物如圖7-1所示。
二、失效分析過程和結果(guo)
1. 現場勘查(cha)
首(shou)先對不銹鋼管(guan)(guan)板進行(xing)著(zhu)色探傷，未(wei)發(fa)現(xian)(xian)(xian)裂(lie)(lie)(lie)紋，如圖7-2(a)所(suo)示(shi)。其次，對筒體進行(xing)了檢(jian)查，未(wei)發(fa)現(xian)(xian)(xian)裂(lie)(lie)(lie)紋、腐蝕等現(xian)(xian)(xian)象，如圖7-2(b)所(suo)示(shi)。經仔細觀察，泄漏水珠是從(cong)換熱(re)管(guan)(guan)內(nei)流出(chu)的，因(yin)此(ci)，基本可以確定裂(lie)(lie)(lie)紋出(chu)現(xian)(xian)(xian)在換熱(re)管(guan)(guan)上(shang)。經滲(shen)透檢(jian)測和打磨，開(kai)始在管(guan)(guan)內(nei)壁未(wei)發(fa)現(xian)(xian)(xian)裂(lie)(lie)(lie)紋，但(dan)經過滲(shen)透和打磨之后(hou)，出(chu)現(xian)(xian)(xian)樹枝狀裂(lie)(lie)(lie)紋；隨(sui)著(zhu)打磨的進行(xing)，裂(lie)(lie)(lie)紋越(yue)來越(yue)清晰，并且裂(lie)(lie)(lie)紋寬度由管(guan)(guan)內(nei)向外逐漸增加，如圖7-2(c)所(suo)示(shi)。因(yin)此(ci)，可以初(chu)步(bu)判斷裂(lie)(lie)(lie)紋起(qi)源于管(guan)(guan)外壁，向內(nei)部(bu)擴展(zhan)。
2. 現場(chang)取樣
分別取含有(you)漏點(dian)的一段進氣管以(yi)及對應的出氣管，同時收(shou)集(ji)了管束內壁(bi)附著物，如圖7-3所示。
3. 換熱(re)管材料(liao)分析
采用(yong)光譜(pu)儀對失效換熱(re)管(guan)材料化學成分(fen)進行(xing)了檢測分(fen)析，表明換熱(re)管(guan)材料化學成分(fen)基本符合GB 13296-2007《鍋(guo)爐、熱(re)交換器用(yong)不(bu)銹鋼(gang)(gang)無縫鋼(gang)(gang)管(guan)》標準中對321不(bu)銹鋼(gang)(gang)的成分(fen)要求，結果見表7-3.
4. 裂紋檢(jian)查
如圖7-4所示(shi)，把兩(liang)取(qu)(qu)(qu)樣(yang)管打磨后，在(zai)(zai)進氣(qi)管外壁1、2區(qu)(qu)域內(nei)用肉眼(yan)可以觀(guan)(guan)察到微(wei)小(xiao)裂(lie)紋(wen)，同時(shi)(shi)還發現在(zai)(zai)較粗裂(lie)紋(wen)處有一(yi)些小(xiao)凹坑。在(zai)(zai)取(qu)(qu)(qu)樣(yang)區(qu)(qu)1取(qu)(qu)(qu)試(shi)樣(yang)1。觀(guan)(guan)測取(qu)(qu)(qu)樣(yang)管橫(heng)截面的(de)裂(lie)紋(wen)和金相(xiang)組織；在(zai)(zai)取(qu)(qu)(qu)樣(yang)區(qu)(qu)2取(qu)(qu)(qu)試(shi)樣(yang)2,用以觀(guan)(guan)察取(qu)(qu)(qu)樣(yang)管表(biao)面裂(lie)紋(wen)、裂(lie)紋(wen)內(nei)腐蝕產物化學成分(fen)和金相(xiang)組織；在(zai)(zai)取(qu)(qu)(qu)樣(yang)區(qu)(qu)3取(qu)(qu)(qu)試(shi)樣(yang)3,用以觀(guan)(guan)測取(qu)(qu)(qu)樣(yang)管縱(zong)截面的(de)裂(lie)紋(wen)和金相(xiang)組織。同時(shi)(shi)，在(zai)(zai)出(chu)氣(qi)管的(de)取(qu)(qu)(qu)樣(yang)區(qu)(qu)4、5取(qu)(qu)(qu)試(shi)樣(yang)4和試(shi)樣(yang)5,分(fen)別(bie)觀(guan)(guan)測橫(heng)、縱(zong)截面裂(lie)紋(wen)和金相(xiang)組織。
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(xiu)鋼應力腐(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: 顯微鏡下觀察(cha)到換(huan)熱管(guan)表面(mian)裂(lie)紋平行于軸向擴展(zhan)，有主干和分支之(zhi)分，為明顯的(de)(de)穿晶型裂(lie)紋。金相組(zu)織為單(dan)相奧氏體(ti)，有孿晶分布，晶粒較均(jun)勻，符合321不銹鋼(gang)固(gu)溶處理的(de)(de)組(zu)織要求。同時，也觀察(cha)到一些顆粒較大的(de)(de)夾(jia)雜(za)物，如圖7-7所示(shi)。
試樣3~5: 顯(xian)微鏡(jing)下，試樣3(進氣管(guan)縱截面）以及(ji)試樣4、5(出氣管(guan)縱、橫截面）均(jun)未(wei)發現裂(lie)紋。金相(xiang)組(zu)織為(wei)單相(xiang)奧氏體(ti)，有(you)孿晶分布，晶粒較均(jun)勻，符合321不銹鋼(gang)固(gu)溶(rong)處理的組(zu)織要求，如圖7-8和圖7-9。在試樣3顯(xian)微組(zu)織中發現有(you)TiN夾雜物，但量很少(shao)，屬(shu)正常現象。
5. 裂紋縫隙內雜(za)質成分分析
為(wei)了分(fen)(fen)析(xi)裂紋(wen)縫隙內腐蝕產(chan)(chan)物(wu)的(de)化學成分(fen)(fen)，取試樣(yang)2外壁裂紋(wen)區域(yu)進行了電子探針檢測。掃描區域(yu)的(de)顯微(wei)形貌見(jian)圖7-10(a),裂紋(wen)有(you)主次之分(fen)(fen)，并(bing)平行于軸向(xiang)發展。掃描波譜(pu)結(jie)果(guo)見(jian)圖7-10(b),表7-4列出了裂紋(wen)內腐蝕產(chan)(chan)物(wu)部分(fen)(fen)成分(fen)(fen)的(de)半定量分(fen)(fen)析(xi)結(jie)果(guo)。在檢測中(zhong)發現，腐蝕產(chan)(chan)物(wu)的(de)主要金屬(shu)成分(fen)(fen)為(wei)鐵和鉻,非金屬(shu)元素為(wei)氯(lv)、硫和氧(yang)，在波譜(pu)上能看到(dao)明(ming)顯的(de)Cl峰和S峰，說明(ming)該廢鍋的(de)運行環境中(zhong)殼程(cheng)介(jie)質含(han)有(you)的(de)氯(lv)、硫可能是介(jie)質中(zhong)的(de)也(ye)可能是材質本身(shen)的(de)。
6. 管壁附著物的化學成(cheng)分分析
為了確定換熱管(guan)內(nei)壁黑(hei)色(se)附著(zhu)物(wu)的(de)(de)成(cheng)分(fen)，在(zai)附著(zhu)物(wu)較(jiao)厚處取(qu)下(xia)一些樣品。為全面分(fen)析附著(zhu)物(wu)的(de)(de)化(hua)學成(cheng)分(fen)，采用電(dian)感耦合等(deng)離子體－發射光譜(pu)法(fa)檢(jian)測(ce)金(jin)屬元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)(su)、元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)(su)分(fen)析法(fa)檢(jian)測(ce)碳和硫元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)(su)、離子色(se)譜(pu)法(fa)檢(jian)測(ce)氯(lv)元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)(su)。檢(jian)測(ce)結果顯(xian)示，主要金(jin)屬元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)(su)是鐵,質量(liang)分(fen)數為30%,另(ling)外還有少量(liang)的(de)(de)鎳、砷(shen)、氯(lv)等(deng)；非金(jin)屬硫元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)(su)的(de)(de)含量(liang)非常高，達到34%,當硫元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)(su)以濕硫化(hua)氫存在(zai)時(shi)，也(ye)會引(yin)起奧氏體不銹鋼應力腐蝕。
7. 廢熱鍋爐進出水水質分析(xi)
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，取樣水中的氯離(li)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。
通過以上綜合分析可(ke)以判斷，不銹鋼管(guan)子(zi)的(de)裂紋是由應力腐蝕引(yin)起的(de)。管(guan)子(zi)脹(zhang)接(jie)后會產生殘余(yu)應力，管(guan)板(ban)和(he)管(guan)子(zi)焊(han)接(jie)后也會產生殘余(yu)應力。很多文獻已(yi)經證明脹(zhang)接(jie)和(he)焊(han)接(jie)殘余(yu)應力的(de)存在。在設備檢(jian)修時，換熱管(guan)貼脹(zhang)部位的(de)管(guan)子(zi)在去除強度焊(han)焊(han)縫(feng)后很容易從管(guan)板(ban)中取出，說(shuo)明管(guan)子(zi)與(yu)管(guan)板(ban)之間存在微小(xiao)的(de)縫(feng)隙。介(jie)質(zhi)中微量的(de)氯離子(zi)可(ke)以在縫(feng)隙內濃(nong)縮，使其濃(nong)度升高。
三、最小脹緊壓力計算(suan)
管(guan)(guan)子和管(guan)(guan)板(ban)之(zhi)間貼(tie)脹是否緊密(mi)主(zhu)要取決于(yu)脹接壓(ya)(ya)力(li)的大小。貼(tie)脹壓(ya)(ya)力(li)過(guo)(guo)小，換熱管(guan)(guan)和管(guan)(guan)板(ban)孔(kong)間會存在(zai)縫(feng)隙；脹接壓(ya)(ya)力(li)過(guo)(guo)大，管(guan)(guan)板(ban)和管(guan)(guan)子之(zhi)間產生較大的接觸應力(li)，使(shi)管(guan)(guan)外壁因受管(guan)(guan)板(ban)孔(kong)的擠壓(ya)(ya)而(er)產生額外的應力(li)。因此，有必要對貼(tie)脹的最小壓(ya)(ya)力(li)進行討論(lun)(lun)。下面通過(guo)(guo)理(li)論(lun)(lun)計算和有限元數值模(mo)擬(ni)來分析本(ben)失效案例(li)中所需的最小貼(tie)脹壓(ya)(ya)力(li)。
1. 換(huan)熱管力學性能測試
為獲得(de)準確的(de)(de)換(huan)熱管材(cai)料(liao)特(te)性(xing)，特(te)從廢熱鍋爐(lu)制(zhi)造(zao)廠家獲取管材(cai)，采(cai)用萬能拉(la)伸(shen)試驗(yan)設備進行材(cai)料(liao)的(de)(de)拉(la)伸(shen)試驗(yan)。材(cai)料(liao)試樣(yang)的(de)(de)制(zhi)造(zao)及拉(la)伸(shen)試驗(yan)過程(cheng)按照(zhao)GB/T228.1-2010《金(jin)屬材(cai)料(liao)拉(la)伸(shen)試驗(yan)第1部分；室(shi)溫試驗(yan)方法(fa)》標(biao)準進行試驗(yan)。試樣(yang)圖紙(zhi)以(yi)及加工(gong)試樣(yang)如圖7-11所示(shi)，拉(la)伸(shen)試驗(yan)的(de)(de)應(ying)力－應(ying)變曲線如圖7-12所示(shi)。
2. 脹接力的理論(lun)計算
液壓(ya)(ya)脹接(jie)是一種柔性脹接(jie)技術，壓(ya)(ya)力均勻(yun)地作用于不銹鋼管(guan)子(zi)內壁，管(guan)子(zi)的(de)變形在(zai)幾秒(miao)鐘內完(wan)成。由于管(guan)子(zi)沒有受到反復碾壓(ya)(ya)，這(zhe)種脹接(jie)過程難以(yi)達到對管(guan)子(zi)與(yu)管(guan)板之問粗(cu)糙表而(er)的(de)“填平”效果。為(wei)保證脹接(jie)質量(liang)，管(guan)板孔(kong)的(de)加工粗(cu)糙度應控制在(zai)Ra6.3μm以(yi)內。
根據液壓脹管機(ji)廠(chang)家提供的資料，可按下列方法計算脹接力：
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)(zai)實際的(de)(de)(de)(de)(de)(de)制造中，管(guan)(guan)(guan)(guan)板(ban)(ban)孔(kong)徑(jing)D和(he)換(huan)(huan)熱(re)(re)管(guan)(guan)(guan)(guan)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)壁(bi)厚(hou)(hou)(hou)都允(yun)許(xu)(xu)(xu)存(cun)在(zai)(zai)偏(pian)(pian)(pian)(pian)(pian)(pian)(pian)差(cha)(cha)(cha)(cha)。根(gen)據(ju)(ju)換(huan)(huan)熱(re)(re)器制造相關標(biao)準(zhun)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)規定，一(yi)級(ji)管(guan)(guan)(guan)(guan)束管(guan)(guan)(guan)(guan)板(ban)(ban)孔(kong)直(zhi)徑(jing)是625.25mm時(shi)，允(yun)許(xu)(xu)(xu)偏(pian)(pian)(pian)(pian)(pian)(pian)(pian)差(cha)(cha)(cha)(cha)為0~+0.15.根(gen)據(ju)(ju)GB/T 17395-2008《無縫鋼管(guan)(guan)(guan)(guan)尺寸(cun)(cun)、外(wai)形、重(zhong)量及允(yun)許(xu)(xu)(xu)偏(pian)(pian)(pian)(pian)(pian)(pian)(pian)差(cha)(cha)(cha)(cha)》標(biao)準(zhun)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)規定、管(guan)(guan)(guan)(guan)子(zi)(zi)外(wai)徑(jing)偏(pian)(pian)(pian)(pian)(pian)(pian)(pian)差(cha)(cha)(cha)(cha)分(fen)為標(biao)準(zhun)化(hua)外(wai)徑(jing)允(yun)許(xu)(xu)(xu)偏(pian)(pian)(pian)(pian)(pian)(pian)(pian)差(cha)(cha)(cha)(cha)四級(ji)和(he)非(fei)(fei)標(biao)準(zhun)化(hua)外(wai)徑(jing)允(yun)許(xu)(xu)(xu)偏(pian)(pian)(pian)(pian)(pian)(pian)(pian)差(cha)(cha)(cha)(cha)四級(ji)。根(gen)據(ju)(ju)管(guan)(guan)(guan)(guan)孔(kong)公差(cha)(cha)(cha)(cha)，能與管(guan)(guan)(guan)(guan)板(ban)(ban)孔(kong)配(pei)合的(de)(de)(de)(de)(de)(de)管(guan)(guan)(guan)(guan)子(zi)(zi)公差(cha)(cha)(cha)(cha)范圍為D4級(ji)士0.10、ND4級(ji)士0.20兩種。由于管(guan)(guan)(guan)(guan)板(ban)(ban)孔(kong)直(zhi)徑(jing)和(he)換(huan)(huan)熱(re)(re)管(guan)(guan)(guan)(guan)外(wai)徑(jing)和(he)壁(bi)厚(hou)(hou)(hou)制造尺寸(cun)(cun)偏(pian)(pian)(pian)(pian)(pian)(pian)(pian)差(cha)(cha)(cha)(cha)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)存(cun)在(zai)(zai)，會影響換(huan)(huan)熱(re)(re)管(guan)(guan)(guan)(guan)和(he)管(guan)(guan)(guan)(guan)板(ban)(ban)孔(kong)之間(jian)(jian)空隙的(de)(de)(de)(de)(de)(de)大小。在(zai)(zai)不(bu)考慮偏(pian)(pian)(pian)(pian)(pian)(pian)(pian)差(cha)(cha)(cha)(cha)時(shi)，換(huan)(huan)熱(re)(re)管(guan)(guan)(guan)(guan)和(he)管(guan)(guan)(guan)(guan)板(ban)(ban)孔(kong)之間(jian)(jian)間(jian)(jian)隙為Δr=0.125mm;考慮偏(pian)(pian)(pian)(pian)(pian)(pian)(pian)差(cha)(cha)(cha)(cha)時(shi)，即對(dui)D4級(ji)管(guan)(guan)(guan)(guan)子(zi)(zi)和(he)管(guan)(guan)(guan)(guan)板(ban)(ban)孔(kong)配(pei)合的(de)(de)(de)(de)(de)(de)最(zui)大間(jian)(jian)隙為Δrmax=0.250mm,最(zui)小間(jian)(jian)隙為Δrmin=0.075mm;對(dui)ND4級(ji)管(guan)(guan)(guan)(guan)子(zi)(zi)和(he)管(guan)(guan)(guan)(guan)板(ban)(ban)孔(kong)配(pei)合的(de)(de)(de)(de)(de)(de)最(zui)大間(jian)(jian)隙為Δrmax=0.300mm,最(zui)小間(jian)(jian)隙為Δrmin=0.025mm.根(gen)據(ju)(ju)GB/T 17395-2008《無縫鋼管(guan)(guan)(guan)(guan)尺寸(cun)(cun)、外(wai)形、重(zhong)量及允(yun)許(xu)(xu)(xu)偏(pian)(pian)(pian)(pian)(pian)(pian)(pian)差(cha)(cha)(cha)(cha)》標(biao)準(zhun)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)規定，管(guan)(guan)(guan)(guan)子(zi)(zi)壁(bi)厚(hou)(hou)(hou)偏(pian)(pian)(pian)(pian)(pian)(pian)(pian)差(cha)(cha)(cha)(cha)分(fen)為標(biao)準(zhun)化(hua)壁(bi)厚(hou)(hou)(hou)允(yun)許(xu)(xu)(xu)偏(pian)(pian)(pian)(pian)(pian)(pian)(pian)差(cha)(cha)(cha)(cha)九(jiu)級(ji)（含亞級(ji)）和(he)非(fei)(fei)標(biao)準(zhun)化(hua)壁(bi)厚(hou)(hou)(hou)允(yun)許(xu)(xu)(xu)偏(pian)(pian)(pian)(pian)(pian)(pian)(pian)差(cha)(cha)(cha)(cha)四級(ji)。按換(huan)(huan)熱(re)(re)管(guan)(guan)(guan)(guan)強度要求，可(ke)供選(xuan)擇(ze)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)換(huan)(huan)熱(re)(re)管(guan)(guan)(guan)(guan)壁(bi)厚(hou)(hou)(hou)偏(pian)(pian)(pian)(pian)(pian)(pian)(pian)差(cha)(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列出了兩種公差(cha)(cha)(cha)(cha)配(pei)合下，NS3級(ji)－0.20~+0.25的(de)(de)(de)(de)(de)(de)壁(bi)厚(hou)(hou)(hou)偏(pian)(pian)(pian)(pian)(pian)(pian)(pian)差(cha)(cha)(cha)(cha)下，根(gen)據(ju)(ju)式（7-2)計算出的(de)(de)(de)(de)(de)(de)脹接力Pmin的(de)(de)(de)(de)(de)(de)數值(zhi)。
從表(biao)7-7來看，Δr=0.125mm時，ReLt＝205MPa 計算(suan)出的(de)(de)脹(zhang)(zhang)(zhang)接(jie)力(li)為142MPa，ReLt＝292MPa時的(de)(de)脹(zhang)(zhang)(zhang)接(jie)力(li)為202MPa,兩(liang)者差(cha)距(ju)較大(da)。在(zai)脹(zhang)(zhang)(zhang)接(jie)件的(de)(de)尺(chi)寸確定的(de)(de)條件下，脹(zhang)(zhang)(zhang)接(jie)力(li)Pmin，隨(sui)屈服(fu)強度的(de)(de)增加(jia)而(er)增大(da)；在(zai)同一屈服(fu)強度下，脹(zhang)(zhang)(zhang)接(jie)力(li)隨(sui)著管板(ban)之間(jian)空隙的(de)(de)減(jian)小而(er)增大(da)，這顯然(ran)是與(yu)實際(ji)情況不(bu)符(fu)的(de)(de)。這說明武（7-2)沒(mei)有考慮脹(zhang)(zhang)(zhang)接(jie)件的(de)(de)尺(chi)寸偏(pian)(pian)差(cha)，因此(ci)在(zai)使用式(shi)（7-2)時不(bu)能把尺(chi)寸偏(pian)(pian)差(cha)帶入其(qi)中。
不(bu)考慮尺寸偏(pian)差，管板(ban)的Rep=370MPa時，換(huan)熱管不(bu)同屈服(fu)強度下根據式（7-3)計算出的最大脹接力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(zhang)接件的(de)加(jia)工(gong)尺(chi)寸(cun)偏差(cha)除了(le)影響脹(zhang)接力的(de)大(da)小，還直接影響液(ye)袋式液(ye)壓(ya)脹(zhang)管(guan)成本。在(zai)超高(gao)(gao)壓(ya)的(de)脹(zhang)接壓(ya)力作用下(xia)(xia)，管(guan)子(zi)(zi)(zi)向(xiang)外(wai)膨脹(zhang)，間(jian)(jian)(jian)隙(xi)(xi)(xi)越(yue)(yue)大(da)，管(guan)子(zi)(zi)(zi)的(de)形(xing)變越(yue)(yue)大(da)，因而液(ye)袋脹(zhang)頭與管(guan)子(zi)(zi)(zi)內(nei)壁之間(jian)(jian)(jian)的(de)間(jian)(jian)(jian)隙(xi)(xi)(xi)將隨(sui)著尺(chi)寸(cun)偏差(cha)加(jia)大(da)而增(zeng)大(da)。液(ye)袋在(zai)超高(gao)(gao)壓(ya)作用下(xia)(xia)，具有向(xiang)間(jian)(jian)(jian)隙(xi)(xi)(xi)中流動的(de)趨(qu)勢，使液(ye)袋受到損傷(shang)。在(zai)同(tong)樣(yang)的(de)脹(zhang)接壓(ya)力下(xia)(xia)，脹(zhang)頭頭部的(de)尺(chi)寸(cun)與管(guan)子(zi)(zi)(zi)變形(xing)后(hou)的(de)間(jian)(jian)(jian)隙(xi)(xi)(xi)越(yue)(yue)大(da)，液(ye)袋越(yue)(yue)易損壞，這(zhe)種(zhong)損傷(shang)隨(sui)著間(jian)(jian)(jian)隙(xi)(xi)(xi)的(de)增(zeng)大(da)成幾何級數加(jia)劇。
3. 脹接壓力有限(xian)元分析
為了(le)解在多(duo)大的(de)(de)(de)脹(zhang)接(jie)(jie)力(li)下換(huan)熱管和管板(ban)能有效貼合(he)，現對換(huan)熱管-管板(ban)焊脹(zhang)連接(jie)(jie)處進行有限元(yuan)分(fen)析(xi)。根(gen)據(ju)脹(zhang)管和管板(ban)的(de)(de)(de)實際尺寸建立模型圖，施(shi)加不同的(de)(de)(de)脹(zhang)接(jie)(jie)力(li)，觀(guan)察脹(zhang)接(jie)(jie)效果。在分(fen)析(xi)時，考慮(lv)7.3.2節分(fen)析(xi)的(de)(de)(de)制造(zao)尺寸偏(pian)差情況(kuang)和材料的(de)(de)(de)力(li)學性(xing)能對脹(zhang)接(jie)(jie)力(li)的(de)(de)(de)影響。
A. 基本參數
換熱(re)管(guan)的規格為Φ25mm×2mm,換熱(re)管(guan)在管(guan)板(ban)(ban)上以等邊三角形的形狀排列，孔中心(xin)距(ju)為32mm,管(guan)板(ban)(ban)孔徑為25.25mm+0.15mm.換熱(re)管(guan)和管(guan)板(ban)(ban)的連(lian)(lian)接(jie)(jie)方式采用強度(du)焊(han)＋液壓脹(zhang)(zhang)，脹(zhang)(zhang)接(jie)(jie)力為142MPa.管(guan)程工(gong)作壓力為6.28MPa;換熱(re)管(guan)的一(yi)端伸出堆焊(han)層的長度(du)為2.5mm,脹(zhang)(zhang)接(jie)(jie)從距(ju)離換熱(re)管(guan)口17.5mm處(chu)開始脹(zhang)(zhang)接(jie)(jie)部分共長268mm,管(guan)板(ban)(ban)與換熱(re)管(guan)連(lian)(lian)接(jie)(jie)的結構圖(tu)如圖(tu)7-13所(suo)示，根據實際(ji)結構尺寸簡畫(hua)出的幾(ji)何(he)圖(tu)如圖(tu)7-14所(suo)示。
B. 有限元模型
總(zong)體坐標(biao)采用柱坐標(biao)系，以換熱管軸(zhou)線為Z軸(zhou)，徑向(xiang)為R,建立(li)二維模型。管(guan)板和換(huan)熱管(guan)均采用(yong)軸對稱 plane182單(dan)元，TARGE169目(mu)標面單(dan)元和CONTA172接(jie)觸面單元建立換熱管(guan)與(yu)管(guan)板間的柔性面－面接(jie)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(cai)(cai)用貼(tie)脹(zhang)時，換(huan)熱(re)(re)管(guan)在脹(zhang)接(jie)(jie)過(guo)(guo)程(cheng)中會發(fa)生(sheng)(sheng)微小的(de)(de)(de)塑(su)性(xing)(xing)形變(bian)，管(guan)板只產生(sheng)(sheng)彈性(xing)(xing)形變(bian)。因此，在ANSYS分析過(guo)(guo)程(cheng)中，采(cai)(cai)用塑(su)性(xing)(xing)模(mo)(mo)型(xing)中隨動(dong)強化Mises率(lv)不(bu)相關(guan)的(de)(de)(de)多線性(xing)(xing)模(mo)(mo)型(xing)作(zuo)為換(huan)熱(re)(re)管(guan)的(de)(de)(de)材(cai)料本(ben)構關(guan)系模(mo)(mo)型(xing)，數據取自321不(bu)銹鋼實測應力(li)-應變(bian)曲線；管(guan)板采(cai)(cai)用各向同性(xing)(xing)的(de)(de)(de)彈性(xing)(xing)模(mo)(mo)型(xing)。脹(zhang)接(jie)(jie)過(guo)(guo)程(cheng)是在換(huan)熱(re)(re)管(guan)的(de)(de)(de)內表(biao)面(mian)施加(jia)不(bu)同的(de)(de)(de)壓力(li)值，使(shi)傳(chuan)(chuan)熱(re)(re)管(guan)發(fa)生(sheng)(sheng)塑(su)性(xing)(xing)變(bian)形而管(guan)板發(fa)生(sheng)(sheng)彈性(xing)(xing)變(bian)形，卸掉載荷后管(guan)板緊(jin)緊(jin)地壓緊(jin)傳(chuan)(chuan)熱(re)(re)管(guan)，達到連接(jie)(jie)的(de)(de)(de)目的(de)(de)(de)。根據模(mo)(mo)型(xing)的(de)(de)(de)對稱性(xing)(xing)，管(guan)板的(de)(de)(de)表(biao)面(mian)是固定不(bu)動(dong)的(de)(de)(de)，在模(mo)(mo)型(xing)中設(she)置為完全約束(shu)。換(huan)熱(re)(re)管(guan)在脹(zhang)接(jie)(jie)的(de)(de)(de)過(guo)(guo)程(cheng)中軸(zhou)是沒(mei)有位移的(de)(de)(de)，所以在傳(chuan)(chuan)熱(re)(re)管(guan)的(de)(de)(de)軸(zhou)向設(she)定約束(shu)。
C. 脹接過程(cheng)模(mo)擬
通(tong)過(guo)載(zai)荷增(zeng)量法(fa)將脹(zhang)(zhang)(zhang)接(jie)壓力施(shi)加(jia)到管子(zi)內表面(mian)施(shi)脹(zhang)(zhang)(zhang)部位的(de)(de)單元上，并(bing)分三個(ge)(ge)階(jie)段(duan)(duan)(duan)模擬(ni)脹(zhang)(zhang)(zhang)接(jie)過(guo)程：第(di)一(yi)階(jie)段(duan)(duan)(duan)為(wei)脹(zhang)(zhang)(zhang)接(jie)壓力由(you)零增(zeng)加(jia)至規(gui)定(ding)的(de)(de)壓力，即(ji)脹(zhang)(zhang)(zhang)接(jie)壓力加(jia)載(zai)段(duan)(duan)(duan)；第(di)二階(jie)段(duan)(duan)(duan)為(wei)脹(zhang)(zhang)(zhang)接(jie)力停留一(yi)段(duan)(duan)(duan)時間；第(di)三階(jie)段(duan)(duan)(duan)為(wei)脹(zhang)(zhang)(zhang)接(jie)壓力由(you)規(gui)定(ding)值減少至零，即(ji)脹(zhang)(zhang)(zhang)接(jie)壓力卸載(zai)段(duan)(duan)(duan)。考(kao)慮到接(jie)觸和材料非線性(xing)的(de)(de)計算(suan)收斂速度和計算(suan)精度，每個(ge)(ge)階(jie)段(duan)(duan)(duan)劃分為(wei)幾個(ge)(ge)載(zai)荷步(bu)，每個(ge)(ge)載(zai)荷步(bu)中(zhong)增(zeng)加(jia)若干個(ge)(ge)子(zi)載(zai)荷步(bu)。為(wei)提(ti)高求解過(guo)程的(de)(de)收斂速度。使用(yong)(yong)完全的(de)(de)Newton-Raphson迭(die)代，以保證每次平衡迭(die)代使用(yong)(yong)正切剛(gang)度矩陣，使用(yong)(yong)線性(xing)搜索使計算(suan)穩定(ding)化。整個(ge)(ge)脹(zhang)(zhang)(zhang)接(jie)過(guo)程所用(yong)(yong)時間為(wei)2~3s.
D. 模擬結(jie)果(guo)及分(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. 無制造尺寸偏差、間(jian)隙Δr=0.125mm時，換熱管的規格(ge)為(wei)Φ25mm×2mm,管板孔徑為(wei)25.25mm,模型如圖7-15所示。分(fen)析時，選取脹(zhang)管中間(jian)位(wei)置(zhi)換熱管外壁的單元A進行有限元分(fen)析，位(wei)置(zhi)如圖 7-16。
分別施加100MPa、142MPa、180MPa、210MPa、240MPa等的(de)(de)脹接力，經過多次(ci)計算(suan)發現，在230MPa時單(dan)元A沿R方向的(de)(de)絕對(dui)位移量u=0.125005，如(ru)圖7-17所示(shi)。表明此時換熱管和管板能(neng)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。
從模擬結果(guo)看出，間(jian)隙越(yue)大，需(xu)要(yao)的(de)脹接(jie)力越(yue)大，0.05~0.325mm的(de)間(jian)隙在142MPa的(de)脹接(jie)力下不能保證換熱管和管板之間(jian)緊密貼合。
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(guo)表明，換熱管屈服強(qiang)度大(da)時所需的脹接力也大(da)。模擬(ni)的結(jie)果(guo)與式(shi)（7-2)計算結(jie)果(guo)比較：不考慮偏差(cha)時大(da)約相等；間隙(xi)(xi)大(da)時，模擬(ni)結(jie)果(guo)比計算結(jie)果(guo)大(da)；間隙(xi)(xi)小(xiao)(xiao)時，模擬(ni)結(jie)果(guo)比計算值小(xiao)(xiao)。
E. 換熱(re)管脹接(jie)后殘余(yu)應力
經過脹(zhang)接后換熱管發生(sheng)微小的(de)塑性形變(bian)，管壁各處會存(cun)在(zai)殘余(yu)脹(zhang)接應力(li)，在(zai)管外壁取一(yi)單元分(fen)析其等(deng)效殘余(yu)應力(li)情(qing)況(kuang)，不(bu)同情(qing)況(kuang)下等(deng)效殘余(yu)應力(li)隨時間的(de)變(bian)化結(jie)果如(ru)圖7-24所示。
分析(xi)發現、換熱管外壁的等效殘余應力處在(zai)20~40MPa之間(jian)。
四、分(fen)析結(jie)果討論
不銹(xiu)鋼管(guan)子(zi)的(de)應力(li)腐蝕(shi)由拉(la)應力(li)和腐蝕(shi)介質(zhi)共同引起(qi)。裂紋(wen)起(qi)源于管(guan)子(zi)外表面(mian)，并穿透壁面(mian)引起(qi)泄漏。通過公(gong)式計算和有限元分(fen)析(xi)發現(xian)，管(guan)子(zi)和管(guan)板所需的(de)最小脹(zhang)(zhang)接(jie)壓(ya)力(li)約為(wei)200MPa。在142MPa脹(zhang)(zhang)接(jie)壓(ya)力(li)下，管(guan)子(zi)和管(guan)板之(zhi)間(jian)貼(tie)合(he)不緊(jin)密，存在縫隙。一旦換(huan)熱管(guan)與換(huan)熱管(guan)孔之(zhi)間(jian)現(xian)間(jian)隙，就為(wei)氯(lv)離子(zi)的(de)富集(ji)創造了(le)條(tiao)件(jian)。
首(shou)先，攜帶(dai)微量氯(lv)離子(zi)的高溫(wen)鍋爐進(jin)入縫隙，水(shui)在(zai)縫隙內(nei)變(bian)成蒸(zheng)汽(qi)后排出。由于縫隙內(nei)流體緩(huan)慢(man)，進(jin)入縫隙內(nei)的氯(lv)離子(zi)因擴散系(xi)數(shu)變(bian)小而不(bu)易排出，特別是(shi)在(zai)近壁(bi)面，氯(lv)離子(zi)擴散系(xi)數(shu)很小，氯(lv)離子(zi)將在(zai)壁(bi)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(liang)的氯(lv)離子(zi)就能引起奧氏體不銹鋼應力腐蝕。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
①. 通(tong)過對換(huan)熱(re)管的(de)化(hua)學成(cheng)分分析，說明材(cai)料是0Cr18Ni10Ti,滿足GB/T13296-2007《鍋(guo)爐、熱(re)交換(huan)器用不銹(xiu)鋼無(wu)縫(feng)鋼管》標準(zhun)規定要(yao)求，鎳成(cheng)分稍偏(pian)低(di)(di)，可(ke)能會降低(di)(di)耐(nai)蝕性能，但該換(huan)熱(re)管表(biao)面沒(mei)有(you)發(fa)生均勻腐蝕，而只是個別區域出現了裂紋，說明鎳成(cheng)分偏(pian)低(di)(di)和(he)裂紋沒(mei)有(you)直接(jie)關(guan)系。
②. 通過電子探針和(he)顯微鏡對(dui)裂紋(wen)(wen)的(de)(de)(de)觀(guan)察，可看出裂紋(wen)(wen)源(yuan)存(cun)在于換熱管(guan)的(de)(de)(de)外表面（點蝕），并平行于軸(zhou)向(xiang)和(he)管(guan)徑向(xiang)發展；裂紋(wen)(wen)的(de)(de)(de)一(yi)個（或多個）分支在沿徑向(xiang)發展時遇(yu)到材料基體(ti)中的(de)(de)(de)缺(que)陷(xian)，加劇了腐(fu)蝕的(de)(de)(de)程度，繼(ji)續(xu)向(xiang)前發展成(cheng)為穿(chuan)透(tou)性(xing)裂紋(wen)(wen)，引(yin)起管(guan)內介(jie)質泄漏。兩種觀(guan)測方法的(de)(de)(de)結(jie)果都(dou)顯示，裂紋(wen)(wen)具有典型的(de)(de)(de)應力腐(fu)蝕形(xing)貌。
③. 電子探針的(de)掃(sao)描結果顯示，裂紋縫隙的(de)腐蝕(shi)產物中含(han)氯(lv)、硫和氧元(yuan)素，表明(ming)殼程廢鍋水中含(han)有氯(lv)離子,為換(huan)熱管的(de)應力腐蝕(shi)創(chuang)造了腐蝕(shi)介質環境。
④. 管束(shu)內(nei)壁(bi)黑色附著物中的S元(yuan)素含量(liang)較高，來源于原料煤(mei)；鐵(tie)和鎳是水煤(mei)氣(qi)介(jie)質(zhi)腐蝕設(she)備形成的。這種換熱(re)管的失效(xiao)與管內(nei)的介(jie)質(zhi)無關。
⑤. 在使用脹接力(li)計算式（7-2)時注意兩(liang)點：
a. 不用考(kao)慮尺寸(cun)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(huan)(huan)熱管(guan)和(he)管(guan)板材(cai)料性(xing)質確定(ding)不準(zhun)確或尺寸偏差(cha)較大的(de)(de)換(huan)(huan)熱器，建議先進行(xing)脹接工(gong)藝(yi)試驗，以獲得脹接的(de)(de)可靠性(xing)。為了降(jiang)低脹接成本，應選用尺寸精(jing)度等級較高的(de)(de)換(huan)(huan)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(xian)元(yuan)模擬和理論計算結果都顯示，142MPa的脹接力(li)不能滿足(zu)換(huan)熱管和管板(ban)密(mi)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(li)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(kong)制耐壓試驗用(yong)水(shui)和(he)(he)生產(chan)用(yong)水(shui)中氯(lv)離子和(he)(he)硫的(de)含(han)量，定期檢測廢熱鍋爐的(de)進水(shui)和(he)(he)排污水(shui)中氯(lv)離子和(he)(he)硫的(de)含(han)量。
②. 盡量減少停車。裝置(zhi)停車時，要(yao)排凈鍋(guo)爐水(shui)，保證設備(bei)處在干燥(zao)狀(zhuang)(zhuang)態(tai)。避免出現干濕交替狀(zhuang)(zhuang)態(tai)。
③. 設(she)備在(zai)進行修復時或制造下(xia)一臺設(she)備時，適當增加脹接力，保證(zheng)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(jian)議(yi)修(xiu)復方案(an)：對(dui)新投用(yong)廢(fei)鍋的管(guan)(guan)(guan)子-管(guan)(guan)(guan)板連(lian)接處進(jin)行補(bu)脹；對(dui)已(yi)泄漏廢(fei)鍋的管(guan)(guan)(guan)子-管(guan)(guan)(guan)板連(lian)接處進(jin)行鉆取管(guan)(guan)(guan)束，然后將管(guan)(guan)(guan)束前(qian)移(yi)，重新焊脹。
