浙江(jiang)至(zhi)德鋼業有限公司以水煤氣廢熱鍋(guo)爐在在線亞洲日產一區二區:不銹鋼換熱管和(he)管(guan)(guan)板(ban)連接(jie)處(chu)的(de)(de)失(shi)效(xiao)分(fen)析為例，說明失(shi)效(xiao)分(fen)析的(de)(de)過程和(he)意(yi)義。管(guan)(guan)殼式換(huan)熱(re)器廣泛應用(yong)于化工(gong)、石油、醫藥和(he)核(he)行(xing)業(ye)。管(guan)(guan)板(ban)和(he)換(huan)熱(re)管(guan)(guan)連接(jie)處(chu)是一個關鍵部位，它們之間的(de)(de)連接(jie)一般(ban)采(cai)用(yong)焊接(jie)、脹接(jie)或者兩者結合的(de)(de)方法。從文獻報道和(he)實際使用(yong)情況來看，管(guan)(guan)子和(he)管(guan)(guan)板(ban)連接(jie)處(chu)的(de)(de)腐蝕是引(yin)起換(huan)熱(re)器失(shi)效(xiao)的(de)(de)主要原因(yin)。因(yin)此，常采(cai)用(yong)奧氏體在線亞洲日產一區二區:不銹鋼管子(zi)預防腐蝕的(de)發生。然而，在特定(ding)的(de)介質和一定(ding)的(de)拉應力下，奧氏(shi)體不銹(xiu)鋼會發生在線亞洲日產一區二區:應力腐蝕開裂。拉(la)應力(li)來源于操作(zuo)壓力(li)、熱應力(li)或(huo)者制造的殘(can)余應力(li)。近年來，人們通過失(shi)效案例分(fen)析，對脹接或(huo)焊(han)接殘(can)余應力(li)情況進行了(le)大量(liang)研究，并認為它(ta)們在應力(li)腐(fu)蝕中(zhong)起到了(le)重要作(zuo)用(yong)。一些換熱器失(shi)效案例中(zhong)，雖然介(jie)質中(zhong)氯離(li)子的濃度非常(chang)小，但是奧氏(shi)體不(bu)銹鋼管應力(li)腐(fu)蝕還會(hui)發生(sheng)(sheng)。眾多分(fen)析認為，應力(li)腐(fu)蝕的發生(sheng)(sheng)是由氯離(li)子在縫隙中(zhong)的富集引起的。
現當(dang)介(jie)質中氯離子濃(nong)度(du)僅有5.8mg/kg時，縫隙處的(de)濃(nong)度(du)值可高達2410mg/kg.但(dan)管子的(de)應力腐蝕和縫隙腐蝕仍不能避免。目前，對于脹接之后還存在縫隙的(de)原因不清楚(chu)，因此，這個問題將在本章(zhang)中進行重點討論。
一、失效案例介(jie)紹(shao)
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(hou)，發(fa)現(xian)(xian)出(chu)(chu)口蒸汽(qi)中一氧化碳含量明顯增高，判斷水(shui)煤氣出(chu)(chu)現(xian)(xian)泄(xie)漏(lou)(lou)。設備停車檢修時(shi)，并未發(fa)現(xian)(xian)宏觀缺陷。但水(shui)壓(ya)試驗時(shi)，發(fa)現(xian)(xian)管(guan)板(ban)堆焊層11處(chu)(chu)(chu)漏(lou)(lou)點；后(hou)經堵漏(lou)(lou)處(chu)(chu)(chu)理，漏(lou)(lou)點反(fan)而增加到20多處(chu)(chu)(chu)。第二次水(shui)壓(ya)試驗時(shi)，又出(chu)(chu)現(xian)(xian)新(xin)的漏(lou)(lou)點，同(tong)時(shi)，在管(guan)子內壁發(fa)現(xian)(xian)一些(xie)黑(hei)色附著物，泄(xie)漏(lou)(lou)點位置和管(guan)內附著物如圖7-1所(suo)示。
二(er)、失(shi)效(xiao)分(fen)析(xi)過程和結果
1. 現場勘查
首先對不銹鋼管(guan)(guan)板進行著(zhu)色探傷，未發(fa)現(xian)裂(lie)(lie)(lie)紋(wen)(wen)(wen)，如(ru)圖(tu)7-2(a)所(suo)示。其次，對筒(tong)體進行了檢查(cha)，未發(fa)現(xian)裂(lie)(lie)(lie)紋(wen)(wen)(wen)、腐(fu)蝕等(deng)現(xian)象，如(ru)圖(tu)7-2(b)所(suo)示。經(jing)仔細觀察，泄(xie)漏(lou)水珠是(shi)從(cong)換熱(re)管(guan)(guan)內流(liu)出(chu)的(de)，因此，基本(ben)可以(yi)確定裂(lie)(lie)(lie)紋(wen)(wen)(wen)出(chu)現(xian)在(zai)(zai)換熱(re)管(guan)(guan)上。經(jing)滲透檢測和(he)打磨，開始在(zai)(zai)管(guan)(guan)內壁未發(fa)現(xian)裂(lie)(lie)(lie)紋(wen)(wen)(wen)，但經(jing)過滲透和(he)打磨之后，出(chu)現(xian)樹枝狀裂(lie)(lie)(lie)紋(wen)(wen)(wen)；隨(sui)著(zhu)打磨的(de)進行，裂(lie)(lie)(lie)紋(wen)(wen)(wen)越來越清晰，并且裂(lie)(lie)(lie)紋(wen)(wen)(wen)寬度由管(guan)(guan)內向(xiang)(xiang)外(wai)逐漸增加，如(ru)圖(tu)7-2(c)所(suo)示。因此，可以(yi)初步判斷裂(lie)(lie)(lie)紋(wen)(wen)(wen)起源(yuan)于管(guan)(guan)外(wai)壁，向(xiang)(xiang)內部擴展。
2. 現場取(qu)樣
分別取含有漏點的一段進氣管(guan)(guan)以及對應的出氣管(guan)(guan)，同時收集了管(guan)(guan)束(shu)內壁(bi)附著物，如(ru)圖7-3所示。
3. 換(huan)熱管材料分析(xi)
采用光譜儀對失效換熱管材(cai)料化學成分(fen)進行了檢測分(fen)析，表(biao)明換熱管材(cai)料化學成分(fen)基本符合GB 13296-2007《鍋爐(lu)、熱交換器用不(bu)銹(xiu)鋼(gang)無縫鋼(gang)管》標準中對321不(bu)銹(xiu)鋼(gang)的成分(fen)要求(qiu)，結果見表(biao)7-3.
4. 裂紋檢(jian)查
如圖7-4所(suo)示，把兩取(qu)(qu)(qu)樣(yang)(yang)管(guan)打磨后(hou)，在進氣(qi)管(guan)外壁(bi)1、2區(qu)(qu)域內用(yong)肉眼可以(yi)觀察(cha)(cha)到微小裂(lie)紋，同時還(huan)發現在較粗裂(lie)紋處(chu)有一些小凹坑。在取(qu)(qu)(qu)樣(yang)(yang)區(qu)(qu)1取(qu)(qu)(qu)試(shi)(shi)樣(yang)(yang)1。觀測(ce)(ce)取(qu)(qu)(qu)樣(yang)(yang)管(guan)橫(heng)截(jie)面(mian)的(de)裂(lie)紋和(he)金相(xiang)(xiang)組(zu)織；在取(qu)(qu)(qu)樣(yang)(yang)區(qu)(qu)2取(qu)(qu)(qu)試(shi)(shi)樣(yang)(yang)2,用(yong)以(yi)觀察(cha)(cha)取(qu)(qu)(qu)樣(yang)(yang)管(guan)表面(mian)裂(lie)紋、裂(lie)紋內腐蝕(shi)產物(wu)化學成(cheng)分和(he)金相(xiang)(xiang)組(zu)織；在取(qu)(qu)(qu)樣(yang)(yang)區(qu)(qu)3取(qu)(qu)(qu)試(shi)(shi)樣(yang)(yang)3,用(yong)以(yi)觀測(ce)(ce)取(qu)(qu)(qu)樣(yang)(yang)管(guan)縱截(jie)面(mian)的(de)裂(lie)紋和(he)金相(xiang)(xiang)組(zu)織。同時，在出氣(qi)管(guan)的(de)取(qu)(qu)(qu)樣(yang)(yang)區(qu)(qu)4、5取(qu)(qu)(qu)試(shi)(shi)樣(yang)(yang)4和(he)試(shi)(shi)樣(yang)(yang)5,分別(bie)觀測(ce)(ce)橫(heng)、縱截(jie)面(mian)裂(lie)紋和(he)金相(xiang)(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(bu)銹鋼(gang)應力腐蝕形貌，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: 顯微鏡下觀察到換熱管表面裂紋平行于軸向擴(kuo)展，有主干和(he)分支之分，為明顯的穿晶(jing)型裂紋。金相組織為單相奧氏體(ti)，有孿晶(jing)分布，晶(jing)粒較(jiao)均勻，符合321不銹鋼固溶處理的組織要(yao)求。同(tong)時(shi)，也觀察到一(yi)些顆粒較(jiao)大的夾(jia)雜(za)物，如圖(tu)7-7所示。
試樣3~5: 顯微鏡下，試樣3(進氣(qi)管縱截面）以及試樣4、5(出氣(qi)管縱、橫(heng)截面）均未(wei)發現(xian)裂紋。金相(xiang)(xiang)組織為(wei)單相(xiang)(xiang)奧氏體，有孿(luan)晶分布，晶粒較均勻，符(fu)合321不(bu)銹鋼固溶處理的組織要求(qiu)，如圖7-8和圖7-9。在試樣3顯微組織中發現(xian)有TiN夾(jia)雜物，但量(liang)很少，屬(shu)正(zheng)常(chang)現(xian)象。
5. 裂紋縫隙(xi)內雜質成分(fen)分(fen)析
為了分(fen)(fen)析裂(lie)紋(wen)(wen)縫隙內腐蝕產(chan)物(wu)的(de)化學成分(fen)(fen)，取試樣2外壁裂(lie)紋(wen)(wen)區域進(jin)行了電(dian)子探針檢測。掃(sao)描區域的(de)顯微形貌見圖7-10(a),裂(lie)紋(wen)(wen)有(you)主次(ci)之分(fen)(fen)，并平行于(yu)軸向發展。掃(sao)描波譜(pu)結果見圖7-10(b),表7-4列出(chu)了裂(lie)紋(wen)(wen)內腐蝕產(chan)物(wu)部分(fen)(fen)成分(fen)(fen)的(de)半定(ding)量分(fen)(fen)析結果。在(zai)檢測中(zhong)發現(xian)，腐蝕產(chan)物(wu)的(de)主要(yao)金屬成分(fen)(fen)為鐵和(he)鉻(ge),非金屬元(yuan)素為氯、硫(liu)和(he)氧，在(zai)波譜(pu)上能看(kan)到明(ming)顯的(de)Cl峰(feng)和(he)S峰(feng)，說明(ming)該廢鍋的(de)運行環(huan)境中(zhong)殼程(cheng)介質(zhi)含有(you)的(de)氯、硫(liu)可(ke)能是(shi)介質(zhi)中(zhong)的(de)也可(ke)能是(shi)材(cai)質(zhi)本身(shen)的(de)。
6. 管壁附著物的化學(xue)成分分析
為(wei)了確定換熱(re)管內壁(bi)黑色附著(zhu)物的(de)成分(fen)(fen)，在附著(zhu)物較厚處取(qu)下一些樣品。為(wei)全面分(fen)(fen)析附著(zhu)物的(de)化學成分(fen)(fen)，采用電感耦(ou)合等離(li)子體－發射光譜法檢(jian)測(ce)(ce)金(jin)屬元(yuan)素(su)、元(yuan)素(su)分(fen)(fen)析法檢(jian)測(ce)(ce)碳(tan)和硫(liu)(liu)元(yuan)素(su)、離(li)子色譜法檢(jian)測(ce)(ce)氯元(yuan)素(su)。檢(jian)測(ce)(ce)結果顯示，主要(yao)金(jin)屬元(yuan)素(su)是鐵,質量分(fen)(fen)數為(wei)30%,另外還有少量的(de)鎳、砷、氯等；非(fei)金(jin)屬硫(liu)(liu)元(yuan)素(su)的(de)含量非(fei)常高，達到34%,當硫(liu)(liu)元(yuan)素(su)以濕硫(liu)(liu)化氫存在時，也(ye)會引起奧(ao)氏體不銹鋼應力腐蝕。
7. 廢(fei)熱鍋爐(lu)進(jin)出水(shui)水(shui)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(li)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。
通過以上綜(zong)合分析可(ke)以判斷(duan)，不銹鋼管(guan)(guan)子的(de)(de)(de)(de)裂紋是由應(ying)力(li)腐蝕引起的(de)(de)(de)(de)。管(guan)(guan)子脹(zhang)(zhang)接后會(hui)產(chan)(chan)生(sheng)殘余(yu)(yu)應(ying)力(li)，管(guan)(guan)板和(he)管(guan)(guan)子焊接后也會(hui)產(chan)(chan)生(sheng)殘余(yu)(yu)應(ying)力(li)。很(hen)多文獻已經證明脹(zhang)(zhang)接和(he)焊接殘余(yu)(yu)應(ying)力(li)的(de)(de)(de)(de)存在。在設備檢修時，換熱(re)管(guan)(guan)貼脹(zhang)(zhang)部位的(de)(de)(de)(de)管(guan)(guan)子在去除強度焊焊縫(feng)后很(hen)容(rong)易從管(guan)(guan)板中(zhong)取出(chu)，說明管(guan)(guan)子與管(guan)(guan)板之間存在微小的(de)(de)(de)(de)縫(feng)隙(xi)。介質(zhi)中(zhong)微量的(de)(de)(de)(de)氯(lv)離子可(ke)以在縫(feng)隙(xi)內濃(nong)縮(suo)，使其濃(nong)度升高。
三(san)、最小(xiao)脹緊(jin)壓力計算(suan)
管(guan)(guan)(guan)子和管(guan)(guan)(guan)板之間(jian)貼(tie)脹是否(fou)緊密主要(yao)取決于脹接壓(ya)(ya)力(li)(li)的大小(xiao)。貼(tie)脹壓(ya)(ya)力(li)(li)過小(xiao)，換(huan)熱管(guan)(guan)(guan)和管(guan)(guan)(guan)板孔間(jian)會存在(zai)縫隙(xi)；脹接壓(ya)(ya)力(li)(li)過大，管(guan)(guan)(guan)板和管(guan)(guan)(guan)子之間(jian)產生較大的接觸應(ying)力(li)(li)，使管(guan)(guan)(guan)外(wai)(wai)壁因受管(guan)(guan)(guan)板孔的擠壓(ya)(ya)而(er)產生額外(wai)(wai)的應(ying)力(li)(li)。因此，有必(bi)要(yao)對貼(tie)脹的最小(xiao)壓(ya)(ya)力(li)(li)進行討論(lun)。下面通(tong)過理論(lun)計(ji)算和有限元數(shu)值模擬來分析本失(shi)效案例(li)中所(suo)需的最小(xiao)貼(tie)脹壓(ya)(ya)力(li)(li)。
1. 換(huan)熱(re)管(guan)力(li)學性能測試
為獲得準確(que)的(de)(de)換熱管(guan)材(cai)料(liao)特(te)性(xing)，特(te)從廢(fei)熱鍋爐(lu)制造廠家獲取管(guan)材(cai)，采(cai)用(yong)萬能拉(la)(la)伸(shen)(shen)試(shi)(shi)(shi)驗(yan)設備(bei)進行(xing)材(cai)料(liao)的(de)(de)拉(la)(la)伸(shen)(shen)試(shi)(shi)(shi)驗(yan)。材(cai)料(liao)試(shi)(shi)(shi)樣(yang)的(de)(de)制造及(ji)(ji)拉(la)(la)伸(shen)(shen)試(shi)(shi)(shi)驗(yan)過(guo)程按(an)照GB/T228.1-2010《金屬材(cai)料(liao)拉(la)(la)伸(shen)(shen)試(shi)(shi)(shi)驗(yan)第(di)1部分；室溫試(shi)(shi)(shi)驗(yan)方(fang)法》標準進行(xing)試(shi)(shi)(shi)驗(yan)。試(shi)(shi)(shi)樣(yang)圖紙(zhi)以及(ji)(ji)加工試(shi)(shi)(shi)樣(yang)如圖7-11所示，拉(la)(la)伸(shen)(shen)試(shi)(shi)(shi)驗(yan)的(de)(de)應力－應變曲線如圖7-12所示。
2. 脹接力的理論計算
液壓脹接(jie)是一種(zhong)柔性脹接(jie)技術，壓力均(jun)勻地作用(yong)于(yu)不銹鋼管子(zi)內壁，管子(zi)的變(bian)形在幾秒鐘(zhong)內完成(cheng)。由于(yu)管子(zi)沒(mei)有(you)受到反復碾(nian)壓，這種(zhong)脹接(jie)過程難以達到對管子(zi)與管板之問粗糙表而的“填平”效(xiao)果。為保證脹接(jie)質(zhi)量，管板孔的加工粗糙度應控制在Ra6.3μm以內。
根據(ju)液(ye)壓脹管機廠家提供的資(zi)料，可(ke)按下列方法計(ji)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。
在實際(ji)的(de)制造(zao)中(zhong)，管(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)板(ban)(ban)孔徑(jing)D和(he)(he)換(huan)熱(re)管(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)的(de)壁(bi)厚(hou)(hou)都(dou)允(yun)(yun)許(xu)(xu)存在偏(pian)(pian)(pian)差(cha)(cha)(cha)(cha)。根(gen)據(ju)換(huan)熱(re)器制造(zao)相關標準(zhun)的(de)規(gui)定(ding)，一級(ji)管(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)束管(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)板(ban)(ban)孔直(zhi)徑(jing)是(shi)625.25mm時，允(yun)(yun)許(xu)(xu)偏(pian)(pian)(pian)差(cha)(cha)(cha)(cha)為(wei)(wei)(wei)(wei)0~+0.15.根(gen)據(ju)GB/T 17395-2008《無(wu)縫(feng)鋼管(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)尺寸(cun)、外(wai)形、重量及(ji)允(yun)(yun)許(xu)(xu)偏(pian)(pian)(pian)差(cha)(cha)(cha)(cha)》標準(zhun)的(de)規(gui)定(ding)、管(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)子(zi)外(wai)徑(jing)偏(pian)(pian)(pian)差(cha)(cha)(cha)(cha)分(fen)為(wei)(wei)(wei)(wei)標準(zhun)化外(wai)徑(jing)允(yun)(yun)許(xu)(xu)偏(pian)(pian)(pian)差(cha)(cha)(cha)(cha)四級(ji)和(he)(he)非標準(zhun)化外(wai)徑(jing)允(yun)(yun)許(xu)(xu)偏(pian)(pian)(pian)差(cha)(cha)(cha)(cha)四級(ji)。根(gen)據(ju)管(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)孔公差(cha)(cha)(cha)(cha)，能與管(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)板(ban)(ban)孔配(pei)(pei)合的(de)管(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)子(zi)公差(cha)(cha)(cha)(cha)范圍為(wei)(wei)(wei)(wei)D4級(ji)士0.10、ND4級(ji)士0.20兩種。由(you)于管(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)板(ban)(ban)孔直(zhi)徑(jing)和(he)(he)換(huan)熱(re)管(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)外(wai)徑(jing)和(he)(he)壁(bi)厚(hou)(hou)制造(zao)尺寸(cun)偏(pian)(pian)(pian)差(cha)(cha)(cha)(cha)的(de)存在，會影響換(huan)熱(re)管(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)和(he)(he)管(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)板(ban)(ban)孔之間(jian)(jian)(jian)空隙(xi)(xi)的(de)大小。在不考(kao)慮(lv)偏(pian)(pian)(pian)差(cha)(cha)(cha)(cha)時，換(huan)熱(re)管(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)和(he)(he)管(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)板(ban)(ban)孔之間(jian)(jian)(jian)間(jian)(jian)(jian)隙(xi)(xi)為(wei)(wei)(wei)(wei)Δr=0.125mm;考(kao)慮(lv)偏(pian)(pian)(pian)差(cha)(cha)(cha)(cha)時，即對D4級(ji)管(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)子(zi)和(he)(he)管(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)板(ban)(ban)孔配(pei)(pei)合的(de)最(zui)(zui)(zui)(zui)大間(jian)(jian)(jian)隙(xi)(xi)為(wei)(wei)(wei)(wei)Δrmax=0.250mm,最(zui)(zui)(zui)(zui)小間(jian)(jian)(jian)隙(xi)(xi)為(wei)(wei)(wei)(wei)Δrmin=0.075mm;對ND4級(ji)管(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)子(zi)和(he)(he)管(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)板(ban)(ban)孔配(pei)(pei)合的(de)最(zui)(zui)(zui)(zui)大間(jian)(jian)(jian)隙(xi)(xi)為(wei)(wei)(wei)(wei)Δrmax=0.300mm,最(zui)(zui)(zui)(zui)小間(jian)(jian)(jian)隙(xi)(xi)為(wei)(wei)(wei)(wei)Δrmin=0.025mm.根(gen)據(ju)GB/T 17395-2008《無(wu)縫(feng)鋼管(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)尺寸(cun)、外(wai)形、重量及(ji)允(yun)(yun)許(xu)(xu)偏(pian)(pian)(pian)差(cha)(cha)(cha)(cha)》標準(zhun)的(de)規(gui)定(ding)，管(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)子(zi)壁(bi)厚(hou)(hou)偏(pian)(pian)(pian)差(cha)(cha)(cha)(cha)分(fen)為(wei)(wei)(wei)(wei)標準(zhun)化壁(bi)厚(hou)(hou)允(yun)(yun)許(xu)(xu)偏(pian)(pian)(pian)差(cha)(cha)(cha)(cha)九級(ji)（含亞級(ji)）和(he)(he)非標準(zhun)化壁(bi)厚(hou)(hou)允(yun)(yun)許(xu)(xu)偏(pian)(pian)(pian)差(cha)(cha)(cha)(cha)四級(ji)。按換(huan)熱(re)管(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)強度(du)要求，可供選擇的(de)換(huan)熱(re)管(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)壁(bi)厚(hou)(hou)偏(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)(pei)合下(xia)，NS3級(ji)－0.20~+0.25的(de)壁(bi)厚(hou)(hou)偏(pian)(pian)(pian)差(cha)(cha)(cha)(cha)下(xia)，根(gen)據(ju)式（7-2)計算(suan)出的(de)脹接力Pmin的(de)數值。
從表(biao)7-7來(lai)看，Δr=0.125mm時(shi)(shi)，ReLt＝205MPa 計算出的(de)(de)脹(zhang)(zhang)(zhang)接(jie)力(li)為(wei)142MPa，ReLt＝292MPa時(shi)(shi)的(de)(de)脹(zhang)(zhang)(zhang)接(jie)力(li)為(wei)202MPa,兩者差距較大(da)。在脹(zhang)(zhang)(zhang)接(jie)件的(de)(de)尺寸(cun)確(que)定(ding)的(de)(de)條(tiao)件下，脹(zhang)(zhang)(zhang)接(jie)力(li)Pmin，隨屈服強度的(de)(de)增(zeng)加而增(zeng)大(da)；在同一屈服強度下，脹(zhang)(zhang)(zhang)接(jie)力(li)隨著(zhu)管板之(zhi)間空(kong)隙的(de)(de)減(jian)小(xiao)而增(zeng)大(da)，這顯(xian)然(ran)是與實際情況不(bu)符的(de)(de)。這說(shuo)明武（7-2)沒(mei)有考慮脹(zhang)(zhang)(zhang)接(jie)件的(de)(de)尺寸(cun)偏(pian)差，因此(ci)在使用式（7-2)時(shi)(shi)不(bu)能把尺寸(cun)偏(pian)差帶入(ru)其中(zhong)。
不(bu)考慮(lv)尺寸(cun)偏差(cha)，管板(ban)的(de)Rep=370MPa時，換(huan)熱管不(bu)同屈(qu)服強(qiang)度下根據式（7-3)計(ji)算出(chu)的(de)最大(da)脹(zhang)接(jie)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(jie)件的(de)(de)(de)(de)加工尺(chi)寸偏差除了影響脹(zhang)接(jie)力的(de)(de)(de)(de)大(da)(da)小，還直(zhi)接(jie)影響液(ye)袋(dai)(dai)式液(ye)壓(ya)脹(zhang)管(guan)成本。在超高(gao)壓(ya)的(de)(de)(de)(de)脹(zhang)接(jie)壓(ya)力作用下(xia)，管(guan)子向外膨(peng)脹(zhang)，間(jian)(jian)隙(xi)越(yue)(yue)大(da)(da)，管(guan)子的(de)(de)(de)(de)形變越(yue)(yue)大(da)(da)，因(yin)而液(ye)袋(dai)(dai)脹(zhang)頭與(yu)管(guan)子內壁(bi)之間(jian)(jian)的(de)(de)(de)(de)間(jian)(jian)隙(xi)將隨著(zhu)尺(chi)寸偏差加大(da)(da)而增大(da)(da)。液(ye)袋(dai)(dai)在超高(gao)壓(ya)作用下(xia)，具有向間(jian)(jian)隙(xi)中流動的(de)(de)(de)(de)趨勢，使(shi)液(ye)袋(dai)(dai)受到損傷(shang)。在同樣的(de)(de)(de)(de)脹(zhang)接(jie)壓(ya)力下(xia)，脹(zhang)頭頭部的(de)(de)(de)(de)尺(chi)寸與(yu)管(guan)子變形后(hou)的(de)(de)(de)(de)間(jian)(jian)隙(xi)越(yue)(yue)大(da)(da)，液(ye)袋(dai)(dai)越(yue)(yue)易損壞(huai)，這(zhe)種(zhong)損傷(shang)隨著(zhu)間(jian)(jian)隙(xi)的(de)(de)(de)(de)增大(da)(da)成幾(ji)何級數加劇。
3. 脹接壓力(li)有(you)限元分(fen)析
為了解在(zai)多大的(de)脹接力(li)下換(huan)熱管(guan)(guan)和管(guan)(guan)板(ban)能有效貼合(he)，現(xian)對換(huan)熱管(guan)(guan)-管(guan)(guan)板(ban)焊(han)脹連接處進行有限元(yuan)分(fen)析(xi)。根據脹管(guan)(guan)和管(guan)(guan)板(ban)的(de)實際尺(chi)寸(cun)(cun)建立(li)模(mo)型圖(tu)，施加不同的(de)脹接力(li)，觀察脹接效果。在(zai)分(fen)析(xi)時，考慮7.3.2節(jie)分(fen)析(xi)的(de)制造尺(chi)寸(cun)(cun)偏差(cha)情(qing)況和材料的(de)力(li)學性能對脹接力(li)的(de)影響(xiang)。
A. 基(ji)本參數
換(huan)熱(re)(re)管的(de)(de)規格為Φ25mm×2mm,換(huan)熱(re)(re)管在(zai)管板上以等邊三角形的(de)(de)形狀排列，孔(kong)中心距為32mm,管板孔(kong)徑為25.25mm+0.15mm.換(huan)熱(re)(re)管和管板的(de)(de)連(lian)接(jie)(jie)(jie)方式采用強度(du)焊(han)＋液壓脹(zhang)，脹(zhang)接(jie)(jie)(jie)力為142MPa.管程工作壓力為6.28MPa;換(huan)熱(re)(re)管的(de)(de)一端(duan)伸出堆(dui)焊(han)層的(de)(de)長(chang)度(du)為2.5mm,脹(zhang)接(jie)(jie)(jie)從(cong)距離換(huan)熱(re)(re)管口17.5mm處開始(shi)脹(zhang)接(jie)(jie)(jie)部分共長(chang)268mm,管板與換(huan)熱(re)(re)管連(lian)接(jie)(jie)(jie)的(de)(de)結構(gou)圖如圖7-13所示(shi)，根(gen)據實際結構(gou)尺寸簡畫出的(de)(de)幾(ji)何圖如圖7-14所示(shi)。
B. 有限元模型
總體坐標采用柱(zhu)坐標系，以換熱管軸(zhou)線為(wei)Z軸(zhou)，徑向為(wei)R,建立(li)二(er)維模型(xing)。管板(ban)和(he)換熱管均采(cai)用(yong)軸對稱(cheng) plane182單元，TARGE169目標面單元和(he)CONTA172接(jie)觸面(mian)單元建立換熱管(guan)與管(guan)板間的柔性面(mian)－面(mian)接(jie)觸對(dui)，網格(ge)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。
采用貼脹(zhang)時，換熱(re)管(guan)在(zai)脹(zhang)接(jie)過(guo)(guo)程中(zhong)會(hui)發生(sheng)(sheng)微小的(de)(de)塑性(xing)(xing)形變，管(guan)板(ban)(ban)只產(chan)生(sheng)(sheng)彈性(xing)(xing)形變。因此，在(zai)ANSYS分析過(guo)(guo)程中(zhong)，采用塑性(xing)(xing)模型中(zhong)隨動強化Mises率(lv)不(bu)相(xiang)關的(de)(de)多(duo)線性(xing)(xing)模型作為換熱(re)管(guan)的(de)(de)材料(liao)本構關系模型，數據(ju)取自321不(bu)銹鋼實測應(ying)力(li)-應(ying)變曲線；管(guan)板(ban)(ban)采用各向同(tong)性(xing)(xing)的(de)(de)彈性(xing)(xing)模型。脹(zhang)接(jie)過(guo)(guo)程是(shi)在(zai)換熱(re)管(guan)的(de)(de)內表面施(shi)加不(bu)同(tong)的(de)(de)壓(ya)力(li)值(zhi)，使傳熱(re)管(guan)發生(sheng)(sheng)塑性(xing)(xing)變形而管(guan)板(ban)(ban)發生(sheng)(sheng)彈性(xing)(xing)變形，卸掉載(zai)荷后(hou)管(guan)板(ban)(ban)緊(jin)緊(jin)地(di)壓(ya)緊(jin)傳熱(re)管(guan)，達到(dao)連接(jie)的(de)(de)目的(de)(de)。根據(ju)模型的(de)(de)對稱性(xing)(xing)，管(guan)板(ban)(ban)的(de)(de)表面是(shi)固定(ding)不(bu)動的(de)(de)，在(zai)模型中(zhong)設(she)置為完全(quan)約束。換熱(re)管(guan)在(zai)脹(zhang)接(jie)的(de)(de)過(guo)(guo)程中(zhong)軸是(shi)沒有位移(yi)的(de)(de)，所(suo)以在(zai)傳熱(re)管(guan)的(de)(de)軸向設(she)定(ding)約束。
C. 脹接過(guo)程模擬
通過(guo)(guo)載(zai)(zai)荷增量法將脹(zhang)(zhang)(zhang)(zhang)接壓(ya)(ya)力(li)(li)(li)施(shi)加到管子內表面(mian)施(shi)脹(zhang)(zhang)(zhang)(zhang)部位的單(dan)元上，并分三個(ge)階(jie)段(duan)(duan)模(mo)擬脹(zhang)(zhang)(zhang)(zhang)接過(guo)(guo)程：第一(yi)階(jie)段(duan)(duan)為(wei)脹(zhang)(zhang)(zhang)(zhang)接壓(ya)(ya)力(li)(li)(li)由(you)零(ling)增加至規(gui)定的壓(ya)(ya)力(li)(li)(li)，即脹(zhang)(zhang)(zhang)(zhang)接壓(ya)(ya)力(li)(li)(li)加載(zai)(zai)段(duan)(duan)；第二階(jie)段(duan)(duan)為(wei)脹(zhang)(zhang)(zhang)(zhang)接力(li)(li)(li)停留一(yi)段(duan)(duan)時(shi)間；第三階(jie)段(duan)(duan)為(wei)脹(zhang)(zhang)(zhang)(zhang)接壓(ya)(ya)力(li)(li)(li)由(you)規(gui)定值減少(shao)至零(ling)，即脹(zhang)(zhang)(zhang)(zhang)接壓(ya)(ya)力(li)(li)(li)卸載(zai)(zai)段(duan)(duan)。考慮到接觸(chu)和材料非線性的計算收(shou)(shou)斂速(su)度(du)(du)和計算精度(du)(du)，每(mei)個(ge)階(jie)段(duan)(duan)劃(hua)分為(wei)幾個(ge)載(zai)(zai)荷步，每(mei)個(ge)載(zai)(zai)荷步中(zhong)增加若干個(ge)子載(zai)(zai)荷步。為(wei)提高(gao)求解過(guo)(guo)程的收(shou)(shou)斂速(su)度(du)(du)。使用完全(quan)的Newton-Raphson迭代，以保證每(mei)次平衡迭代使用正(zheng)切剛度(du)(du)矩陣，使用線性搜索使計算穩定化。整個(ge)脹(zhang)(zhang)(zhang)(zhang)接過(guo)(guo)程所用時(shi)間為(wei)2~3s.
D. 模擬結(jie)果及分析
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. 無制(zhi)造(zao)尺寸(cun)偏差、間隙Δr=0.125mm時(shi)，換熱管(guan)的規格為(wei)Φ25mm×2mm,管(guan)板孔徑為(wei)25.25mm,模型(xing)如圖7-15所(suo)示(shi)。分析時(shi)，選取脹管(guan)中間位(wei)置換熱管(guan)外壁的單元A進行有(you)限(xian)元分析，位(wei)置如圖 7-16。
分別施加100MPa、142MPa、180MPa、210MPa、240MPa等的脹接力(li)，經過多次(ci)計算發現，在230MPa時單元(yuan)A沿(yan)R方(fang)向的絕對位移量u=0.125005，如圖7-17所(suo)示。表明此時換熱管(guan)和(he)管(guan)板能有效貼合(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(cong)模(mo)擬(ni)結果看出，間隙越大，需要的脹接(jie)力(li)越大，0.05~0.325mm的間隙在142MPa的脹接(jie)力(li)下(xia)不能保(bao)證換熱(re)管和(he)管板之間緊密貼合。
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)(jie)果(guo)表明，換(huan)熱管屈服(fu)強度大(da)(da)時所需(xu)的(de)脹接力也大(da)(da)。模(mo)擬的(de)結(jie)(jie)果(guo)與式（7-2)計算結(jie)(jie)果(guo)比較(jiao)：不考慮偏差時大(da)(da)約(yue)相等(deng)；間隙大(da)(da)時，模(mo)擬結(jie)(jie)果(guo)比計算結(jie)(jie)果(guo)大(da)(da)；間隙小(xiao)(xiao)時，模(mo)擬結(jie)(jie)果(guo)比計算值小(xiao)(xiao)。
E. 換熱管(guan)脹接(jie)后殘余(yu)應力
經過(guo)脹接后換熱管(guan)(guan)發(fa)生微小(xiao)的塑性形(xing)變，管(guan)(guan)壁(bi)各處會存在殘余(yu)脹接應(ying)力，在管(guan)(guan)外壁(bi)取一(yi)單元分析其等效殘余(yu)應(ying)力情況，不同情況下等效殘余(yu)應(ying)力隨(sui)時間的變化結果如(ru)圖7-24所示。
分(fen)析(xi)發(fa)現、換(huan)熱管外(wai)壁的等效殘余應力處在20~40MPa之間。
四、分析結果討(tao)論
不銹鋼管(guan)子的應(ying)力(li)(li)腐蝕由拉應(ying)力(li)(li)和(he)腐蝕介(jie)質共同引起。裂(lie)紋起源于(yu)管(guan)子外表面，并穿(chuan)透壁面引起泄漏。通過公(gong)式計算和(he)有限元(yuan)分析發現，管(guan)子和(he)管(guan)板(ban)所需的最小脹(zhang)接(jie)壓力(li)(li)約(yue)為200MPa。在142MPa脹(zhang)接(jie)壓力(li)(li)下，管(guan)子和(he)管(guan)板(ban)之間貼合不緊密，存在縫(feng)隙(xi)。一旦(dan)換熱管(guan)與換熱管(guan)孔(kong)之間現間隙(xi)，就為氯離子的富(fu)集創造了(le)條件。
首先，攜帶微量氯(lv)(lv)離子(zi)的高溫鍋爐進(jin)入縫隙(xi)，水在(zai)縫隙(xi)內(nei)變(bian)成蒸汽后排(pai)出(chu)。由于縫隙(xi)內(nei)流體緩慢(man)，進(jin)入縫隙(xi)內(nei)的氯(lv)(lv)離子(zi)因擴散系數(shu)變(bian)小而不(bu)易(yi)排(pai)出(chu)，特(te)別是在(zai)近壁面，氯(lv)(lv)離子(zi)擴散系數(shu)很小，氯(lv)(lv)離子(zi)將(jiang)在(zai)壁面沉(chen)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(gao)溫環境中(zhong)，少量的氯離子就能引起(qi)奧氏體不銹鋼應力腐蝕。試(shi)驗表明(ming)，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(wu)、分析結論(lun)
①. 通(tong)過對換(huan)(huan)熱(re)管(guan)的化學成分分析，說(shuo)明(ming)材料是(shi)0Cr18Ni10Ti,滿足GB/T13296-2007《鍋(guo)爐、熱(re)交換(huan)(huan)器用不(bu)銹鋼(gang)無縫鋼(gang)管(guan)》標準規定要求(qiu)，鎳成分稍偏低(di)(di)，可能會降低(di)(di)耐蝕(shi)性能，但該換(huan)(huan)熱(re)管(guan)表面沒有(you)發生均(jun)勻(yun)腐蝕(shi)，而只是(shi)個別區域出現(xian)了裂(lie)紋，說(shuo)明(ming)鎳成分偏低(di)(di)和(he)裂(lie)紋沒有(you)直(zhi)接關系。
②. 通過電子探針和顯微鏡對裂紋(wen)的(de)(de)(de)觀察，可(ke)看出裂紋(wen)源存(cun)在于換熱管的(de)(de)(de)外表(biao)面(mian)（點(dian)蝕），并平行于軸向和管徑向發(fa)展(zhan)；裂紋(wen)的(de)(de)(de)一個(ge)（或(huo)多個(ge)）分支在沿徑向發(fa)展(zhan)時遇到材料基(ji)體中的(de)(de)(de)缺陷，加劇(ju)了腐(fu)蝕的(de)(de)(de)程度，繼續向前(qian)發(fa)展(zhan)成(cheng)為穿透性裂紋(wen)，引起管內介質泄漏。兩種觀測方法的(de)(de)(de)結(jie)果(guo)都顯示，裂紋(wen)具有(you)典型的(de)(de)(de)應(ying)力(li)腐(fu)蝕形貌。
③. 電子(zi)探針的(de)掃(sao)描結果顯示，裂(lie)紋縫隙的(de)腐(fu)蝕產物(wu)中(zhong)含(han)氯、硫和氧元素，表明殼程廢鍋水中(zhong)含(han)有氯離子(zi),為換熱管的(de)應(ying)力腐(fu)蝕創造了(le)腐(fu)蝕介(jie)質環(huan)境。
④. 管(guan)束內壁(bi)黑色附著(zhu)物中的(de)S元(yuan)素含(han)量較高(gao)，來源于原料煤；鐵和鎳是水煤氣介(jie)質腐蝕設備形成的(de)。這種換熱管(guan)的(de)失效與管(guan)內的(de)介(jie)質無關。
⑤. 在使用脹接力(li)計算式（7-2)時注意兩點：
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(huan)熱管(guan)(guan)和管(guan)(guan)板材料性(xing)質確定(ding)不準(zhun)確或尺(chi)寸(cun)偏差較(jiao)大的(de)(de)換(huan)熱器，建議先進行脹接(jie)工藝試驗，以(yi)獲(huo)得脹接(jie)的(de)(de)可靠性(xing)。為了降低(di)脹接(jie)成本(ben)，應(ying)選用尺(chi)寸(cun)精度等級較(jiao)高的(de)(de)換(huan)熱管(guan)(guan)，盡量減小(xiao)管(guan)(guan)子和管(guan)(guan)板之間的(de)(de)間隙。
⑥. 有限元模擬和(he)理論計算結果都顯示，142MPa的脹接力不能滿足換熱管和(he)管板密封要求。
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
①. 應嚴(yan)格控制耐壓試驗用水(shui)和生產用水(shui)中氯(lv)離(li)子(zi)和硫的含量，定期檢(jian)測廢熱(re)鍋爐的進水(shui)和排(pai)污水(shui)中氯(lv)離(li)子(zi)和硫的含量。
②. 盡(jin)量減少停(ting)車(che)。裝置停(ting)車(che)時，要(yao)排凈鍋爐(lu)水，保證設備處在干燥(zao)狀(zhuang)態。避(bi)免出現干濕交替狀(zhuang)態。
③. 設備在進行修復時(shi)或制(zhi)造下一臺設備時(shi)，適當增加脹接(jie)力，保證貼脹質量，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(xiu)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(jian)議修復方(fang)案：對新(xin)投用廢鍋的(de)管(guan)子(zi)-管(guan)板連(lian)接處(chu)進行(xing)(xing)補脹；對已泄(xie)漏廢鍋的(de)管(guan)子(zi)-管(guan)板連(lian)接處(chu)進行(xing)(xing)鉆取管(guan)束(shu)，然(ran)后將管(guan)束(shu)前移(yi)，重(zhong)新(xin)焊脹。
