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管殼式換熱器管—管板的連接及失效形式

2019-08-24

  在石化和化工設備中的換熱器係統中, 管殼式換熱器以其結構堅固、可靠性高、適應性強等優點在化工生產和使用中一直占主導地位。但由於其結構的複雜性和使用條件的多樣性, 換熱器常出現多種形式的失效。從結構上分析, 管束與管板連接處較容易發生失效; 從使用工藝參數分析, 腐蝕應力、溫差應力、管束的振蕩等均會造成換熱器的局部或整體失效。

     1 管子與管板的連接形式

     管子與管板的連接處應保證良好的緊密性, 防止發生連接處泄漏,造成熱量與產品的損失,甚至危及人身與設備的安全; 同時應保證能承受一定的軸向力, 避免管子從管板中脫出。管子與管板傳統的連接方法是脹接、焊接和脹焊並用。

    1.1 脹接

    1.1.1 機械滾脹法

     使用機械滾脹法連接易使換熱管產生過脹或欠脹, 換熱管內壁易產生加工硬化。帶槽孔或翻邊的結構 用於抗拉脫能力與密封性要求較高的場合, 不宜在高溫下工作。在溫差變化作用下, 脹接處管子的殘餘應力逐漸消失, 從而降低了密封性與抗拉脫能力, 使換熱管與管板的連接失效。其優點是脹接結構比較簡單, 便於更換與修補管子, 一般適用條件為壓力≤4 MPa, 溫度≤300 ℃。

    1.1.2 液壓脹接

     液壓脹接時應力分布較均勻, 具有生產率高、勞動強度低、密封性能

好等特點。液壓脹接對管孔及開槽的精度要求特別嚴格。

    1.1.3 爆破脹管

     利用爆炸時的徑向力使管子脹緊, 同時利用爆炸時的軸向力將殘渣拋出管外。

    1.2 焊接

    焊接法加工簡便, 連接強度好, 在高溫高壓時也能保證連接處的緊密性與抗拉脫能力。當連接處焊接之後,管子與管板中存在的殘餘熱應力與應力集中,可能引起應力腐蝕與疲勞損壞,使管子與管板連接處失效泄漏。因此施焊時需打磨管端, 清理焊接區域的汙物,以防止節點汙染。

              

導熱管生產


    1.3 脹焊並用

     脹接與焊接方法都有各自的優點與缺點,而采用脹焊結合的方法,不僅能提高連接處的抗疲勞性能,還可消除應力腐蝕和間隙腐蝕,提高 使用壽命。

     脹焊連接根據脹接和焊接要求不同可分為以下幾種: 強度焊+貼脹,強度焊+強度脹, 強度脹+密封焊, 強度脹+貼脹+密封焊, 強度焊+強度脹+貼脹等, 後兩種方法用於厚管板。另外還有采用在強度焊前先“定位脹”, 即管子在管孔中脹接定位後再焊接和進行其他工序。上述各種脹焊組合應按連接強度要求、密封要求、管板厚度和腐蝕等工況條件進行選擇。這裏所說的強度焊指承擔管子、管板間全部連接強度, 還要保證焊縫的致密性; 密封焊則單純是為了防止介質泄漏; 強度脹的作用與強度焊相同, 而貼脹僅僅消除管子管孔間的間隙, 目的是為了防止間隙腐蝕。

    2 失效形式

    腐蝕是換熱器的主要失效形式。最常見的腐蝕部位是管子, 主要腐蝕形式有:管殼程介質本身的酸堿性具有腐蝕性,殼體或管子存在拉應力,管子與管板之間存在縫隙等,這些都會加速腐蝕,進而引起換熱器失效。

     2.1 介質腐蝕

    流體為腐蝕性介質,以及介質中溶解一定濃度的氮、氧、氫、硫等,常會引起換熱器的失效。解決措施: 合理地選擇對介質適應的材料,針對不同腐蝕性離子, 如氮、氧、氫、硫, 采取相應的預防措施。例如:用於回收硝酸尾氣熱量的廢熱鍋爐,由於尾氣中含有氮氣和氨氣,在一定溫度和壓 力下, 氮與鐵及其他很多合金元素可生成硬而脆的氮化物, 使鋼材氮化,致使其力學性能變差。尤其在高溫氣體入口處, 介質腐蝕使管板表麵、管板和管子的連接焊縫以及靠近管板表麵的換熱管管端因氮化而導致換熱管泄漏且無法焊補, 以至於整台設備報廢。

     2.2 應力腐蝕

    換熱器在焊接、熱加工、熱處理時引起的材料殘餘應力、安裝時產生的裝配應力、工作時管內外壓力差及溫差作用而產生的機械應力和熱應力,以及由載荷、操作或振動等引起的附加應力, 都可能產生拉應力。主要應對措施是: 消除拉應力, 如對裝配應力可通過熱處理等方法加以消除。

    2.3 縫隙腐蝕

    傳統的管子穿入管板前端焊接而成的焊接接頭, 由於管板與管子之間有間隙, 且焊縫受到高溫腐蝕性流體的正麵衝刷作用, 很容易腐蝕開裂, 極大地降低了設備的使用壽命。預防縫隙腐蝕的措施主要是減小或消除縫隙、減小結垢等。

    3 技術改造方案

    在石化和化工設備中的換熱器係統中, 有一些是工作於高溫和腐蝕性應力下的。傳統的管子穿入管板前端焊接而成的焊接接頭( 見圖 2) , 由於管板與管子之間有間隙, 且焊縫受到高溫腐蝕性流體的正麵衝刷作用, 很容易腐蝕開裂, 極大地降低了設備的使用壽命。為了減小高溫腐蝕性流體對管板焊縫造成的破壞, 從焊縫質量要求出發, 優化管板與管束的接頭形式, 全對接型內孔焊結構是一種較好的選擇。內孔焊管板形式。

    內孔焊接頭技術較好地解決了管子與管板接頭處應力腐蝕和間隙腐蝕的問題。

                

    4 結論

    對換熱器多種失效形式進行認真分析, 采取有效預防措施, 可最大限度減少失效問題。目前, 換熱器管子與管板內孔焊技術可以有效地解決換熱設備在高溫、高壓、腐蝕性介質及溫度和壓力有波動場合下的管子與管板接頭的應力腐蝕、間隙腐蝕導致接頭嚴重的泄漏問題, 提高了設備的使用壽命, 保證了生產的安全、穩定運行, 使企業的整體經濟效益顯著提高。

    目前, 在內孔焊的接頭形式、焊接工藝及質量檢驗等技術方麵仍是國內外專家學者關注和深入研究的焦點。隨著核工業、石油化工和動力工業熱交換器、蒸發器等設備的大型化、超高壓化發展對換熱管與管板連接接頭越來越高的質量要求, 內孔焊接技術必將得到更廣泛的應用。


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