胡萬明，郭世杰

（杭州電化集團(tuán)有限公司，浙江杭州310053）

蒸發(fā)器管板與換熱管接頭泄漏原因及返修

胡萬明，郭世杰

（杭州電化集團(tuán)有限公司，浙江杭州310053）

介紹了氯堿企業(yè)蒸發(fā)器管板與換熱管接頭發(fā)生泄漏的原因及返修方法。開槽脹接的不銹鋼換熱器返修比較困難，在管端采用加套管方法進(jìn)行修補(bǔ)。

管接頭；泄漏原因；返修

1 泄漏原因

管殼式換熱器是石油化工企業(yè)廣泛使用的設(shè)備之一，設(shè)備制作質(zhì)量的關(guān)鍵在于管接頭的制作質(zhì)量。氯堿裝置中燒堿蒸發(fā)器加熱室、氯氣液化器、氯乙烯轉(zhuǎn)化器以及冷凝器等設(shè)備泄漏就會影響到單個(gè)生產(chǎn)裝置停車或降低生產(chǎn)負(fù)荷。氯堿企業(yè)使用的換熱器雖然不像石化企業(yè)換熱器承受高溫高壓，但介質(zhì)腐蝕性強(qiáng)，流動(dòng)磨蝕嚴(yán)重，有些固定管板換熱器還有溫差應(yīng)力，如果設(shè)計(jì)、制造、使用不合理，管接頭極易泄漏，導(dǎo)致?lián)Q熱器失效。

燒堿蒸發(fā)器加熱室是用來將NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)為17%左右的燒堿提濃到25%左右的管殼式換熱器，其中殼程用0.15 MPa左右二次蒸汽進(jìn)行加熱，管程含有氯根及氯酸根等雜質(zhì)。加熱室管板與換熱管均采用0Cr18Ni10Ti，管板厚度為50 mm，考慮到換熱管壁熱阻的影響，換熱管采用薄壁管（?57mm×2mm），正三角形排列，中心距72 mm，276根。由于堿液濃度及溫度的影響，加熱室的加熱管會受到氯化鈉的沖刷磨損、應(yīng)力腐蝕、堿脆、點(diǎn)蝕以及縫隙腐蝕。GBl5l—l999《管殼式換熱器》中規(guī)定，強(qiáng)度脹接適用于設(shè)計(jì)壓力≤4 MPa、設(shè)計(jì)溫度≤300℃、無劇烈振動(dòng)、無過大溫度變化及無應(yīng)力腐蝕的場合[1]。不銹鋼管的延展性好，脹管性能非常好，管板與換熱管連接方式采用了強(qiáng)度脹。該設(shè)備使用了4年左右，殼程冷凝水含堿量超過正常值，檢查后發(fā)現(xiàn)下管板連接處的換熱管管壁非常薄，不到0.6 mm，管板與換熱管接頭靠殼程側(cè)多根換熱管破損，有4根換熱管與管板松脫泄漏，殼程內(nèi)部換熱管壁厚薄非常不均勻，上管板則沒有此現(xiàn)象。抽出1根換熱管檢查，從下至上厚度為0.5~1.5 mm。分析有如下原因。

（1）下管板連接處的換熱管管壁非常薄的原因是加熱室下接循環(huán)泵，堿液中含有的結(jié)晶鹽對管板處換熱管沖刷磨損，在加熱室下面，沖刷磨損最大，管壁減薄嚴(yán)重。

（2）脹接中必須保持合適的脹緊度，欠脹不能保證脹口的密封性，過脹則因管壁減薄過大而導(dǎo)致管子斷裂和管板變形。在過脹的情況下，換熱管與管板脹接時(shí)在脹接力的作用下產(chǎn)生塑性變形，換熱管變薄，對開槽脹接的換熱管變形減薄量更大。而該設(shè)備采用的是薄壁換熱管，在沖刷磨損的作用下容易破損[2]。

（3）強(qiáng)度脹接時(shí)，管板與換熱管應(yīng)有適當(dāng)?shù)挠捕炔?，即管板比換熱管的硬度應(yīng)稍高30 HB左右，否則管子回彈大于管板，造成脹接不緊。0Cr18Ni10Ti不銹鋼管加工硬化傾向較大，在脹接和彎曲時(shí)，材料中的奧氏體組織會產(chǎn)生馬氏體相變，使變形部位的屈服強(qiáng)度大幅上升。?57不銹鋼換熱管對應(yīng)的管板管孔直徑為?57.55 mm，允許最大偏差為0.25 mm，這樣管子外徑與管板管孔之間的最大間隙為0.8 mm，要達(dá)到脹緊目的，管子必須有較大的變形量，然而0Cr18Ni10Ti管子在脹接變形量增加的同時(shí)，其硬度也隨之增加，從而使換熱管的硬度更加大于管板硬度，使得脹接更不緊。有時(shí)，為了減少加工硬化，可采用較緊的管子外徑和管孔之間的配合。

（4）管接頭應(yīng)力腐蝕。脹口質(zhì)量主要取決于管端上徑向殘余壓縮應(yīng)力，其值同管子與管板的材料、尺寸、是否開槽、脹管率、管子與管板的徑向間隙及表面粗糙度等因素有關(guān)。換熱管的脹管過程大致分為3個(gè)步驟，第一步是換熱管插入管板的過程，換熱管與管板留有一定的間隙，間隙按照GB151中I級管束要求；第二步是用脹管器使換熱管與管板孔緊密貼合在一起，此過程換熱管逐漸從彈性變形向塑性變形過渡，管板孔處于彈性變形階段；第三步是完成換熱管脹接，換熱管與管板孔都產(chǎn)生永久變形，管板孔產(chǎn)生永久變形量，換熱管內(nèi)徑增大，換熱管壁厚有一定減薄量，如圖1所示。對于鋼管和鋼板而言，強(qiáng)度脹的減薄率為12%~18%；密封脹為7%~10%；貼脹為3%~7%。

為了得到良好、穩(wěn)定的脹口性能，除了嚴(yán)格控制管板的加工精度，保證管板材料與管子材料適當(dāng)?shù)挠捕炔?，還需正確選用脹管器、脹管動(dòng)力和控制手段，保證合適的脹度及采取合理的脹接順序等。由于脹接管端處在脹接時(shí)產(chǎn)生塑性變形，存在著殘余應(yīng)力，隨著溫度的上升，殘余應(yīng)力逐漸消失，這樣使管端處密封性和結(jié)合力降低。另外，強(qiáng)度脹附加應(yīng)力大，而機(jī)械強(qiáng)度脹的附加應(yīng)力更大，在管頭部位機(jī)械脹接的臺階處容易產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕樹狀裂紋而失效。

（5）介質(zhì)中含有氯離子，氯離子對奧氏體不銹鋼的應(yīng)力腐蝕破壞性極大。奧氏體不銹鋼應(yīng)力腐蝕受溫度、介質(zhì)、不銹鋼化學(xué)成分等影響，在冷變形作用下，這些應(yīng)力的產(chǎn)生使金屬內(nèi)部穩(wěn)定的組織受到破壞，晶粒在應(yīng)力方向的作用下錯(cuò)位而形成滑移，會形成腐蝕。

（6）脹接工藝不合理[3]。該換熱器采用機(jī)械脹接，換熱管與管板的連接在整個(gè)長度上的應(yīng)力分布不均勻。脹接前應(yīng)先檢查管孔與管端的結(jié)合表面是否有油漬和異物存在，管子脹在管板上后，由于管子的伸長，在管子連接處會產(chǎn)生附加應(yīng)力，如脹接順序不合理，將會導(dǎo)致接頭上過大的附加應(yīng)力和管板過大的變形，從而降低脹接接頭的質(zhì)量，在脹第二塊管板時(shí),一般認(rèn)為合理的順序是從管板最外層管子開始，逐步脹到中心，否則中心部位管子拉應(yīng)力增加很多，甚至被破壞。

上述原因中（1）、（2）兩點(diǎn)為主要原因。 另外，還存在使用上的原因，如果蒸發(fā)器結(jié)鹽嚴(yán)重，循環(huán)泵操作不當(dāng)，殼程中汽水沖擊換熱管就可能誘發(fā)管束振動(dòng)，導(dǎo)致管接頭突變處發(fā)生泄漏或疲勞破損，如圖2所示。

2 返修方案

確定加熱室泄漏后，考慮利用管板和殼體更換換熱管，但不銹鋼冷加工的加工性能較差，主要體現(xiàn)在斷屑難，刀具易磨損，獲得較高表面質(zhì)量的難度大。用鉆床試打了1根換熱管，但換熱管鉆削時(shí)塑性大、韌性高，不易斷屑，切削過程中易堵塞，影響加工表面的光潔，加工時(shí)間長。由于當(dāng)初加工時(shí)采用開槽強(qiáng)度脹，更換換熱管不太妥當(dāng)，重新加工1臺也不妥當(dāng)。在下管板管接頭處所有接管加1段套管，用緊脹的辦法使套管與換熱管緊配合。套管的長度超過破損處30 mm左右，并在管頭外徑車削10絲，如圖2所示。

在下管板所有換熱管加完套管后，對4根換熱管與管板的松脫泄漏采用氬弧焊的方法進(jìn)行了補(bǔ)漏。返修結(jié)束后，對殼程以壓力0.2 MPa進(jìn)行了水壓試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)原來管接頭內(nèi)部破損的地方都與套管緊密貼合，不再泄漏。目前已經(jīng)使用了將近8個(gè)月，一切正常。

3 改進(jìn)制造方法

在設(shè)備的管接頭聯(lián)接方法上，因?yàn)楣馨搴穸葹?0 mm，可以考慮采用強(qiáng)度脹加貼脹的方法，結(jié)構(gòu)如圖3所示。

蒸發(fā)器加熱室使用壽命一般在10年左右，該臺設(shè)備只使用了4年，固然絕大部分原因是生產(chǎn)工藝所致，但在該設(shè)備設(shè)計(jì)、制造方面也存在問題。如設(shè)計(jì)上對開槽就有要求，GB151-1999中規(guī)定強(qiáng)度脹要求換熱管伸出長度不小于3 mm，使管板與換熱管貼脹處不受沖刷磨損，同時(shí)要求脹接長度不準(zhǔn)超出管板背面，并應(yīng)離開3 mm，以避免換熱管在脹接時(shí)產(chǎn)生塑性變形而產(chǎn)生破壞[4]，但在制造時(shí)就不一定能保證。在對換熱管進(jìn)行強(qiáng)度脹時(shí)，對脹度也有要求。強(qiáng)度脹要有合適的脹度，要控制管孔與換熱管的間隙。間隙是影響管接頭脹接質(zhì)量的最重要因素，間隙越大越容易過脹。在GB151中，I級管束是較高級、高級冷拔鋼管，不銹鋼管都應(yīng)選用高精度、較高精度冷拔鋼管。

[1]GB151—1999，管殼式換熱器.

[2]陸 怡，張鎖龍.換熱器泄漏成因調(diào)查.化工裝備技術(shù)，2007，24（5）.59-61.

[3]楊 云.換熱器強(qiáng)度脹接接頭的泄漏和防止措施.壓力容器，2001，(03).67-68.

[4]全國鍋爐壓力容器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會.壓力容器設(shè)計(jì)工程師培訓(xùn)教程.2006.

Reasons of evaporator tube sheet and heat exchange pipe joint leakage and repair

HU Wan-ming,GUO Shi-jie
(Hangzhou Electrochemical Group,Hangzhou 310053,China)

The reasons of evaporator tube sheet and heat exchange pipe joint leakage and methods of repair were introduced.Repair of stainless steel heat exchanger with joint tightness was more difficult.The plus casing method was applicated in the pipe end for repair.

pipe joint;leakage reasons;repair

TQ051.5

B

1009-1785(2010)01-0026-03

2009-11-17