梁 鵬 楊云雨 南京市鍋爐壓力容器檢驗(yàn)研究院

內(nèi)盤管接管泄漏成因及改進(jìn)

梁 鵬 楊云雨 南京市鍋爐壓力容器檢驗(yàn)研究院

對(duì)反應(yīng)釜內(nèi)盤管接管處發(fā)生泄漏的原因進(jìn)行了探討，通過入釜檢查和有限元分析，確認(rèn)了該處由于局部應(yīng)力集中導(dǎo)致角焊縫出現(xiàn)微小開裂，并結(jié)合該釜結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工況對(duì)其改進(jìn)方法進(jìn)行了討論。

內(nèi)盤管 接管角焊縫 應(yīng)力集中 改進(jìn)方法

某化工廠一臺(tái)反應(yīng)釜（位號(hào)R-0104)，其產(chǎn)品是通過釜內(nèi)盤管中蒸汽提供的能量促進(jìn)化學(xué)物料進(jìn)行反應(yīng)所獲得。生產(chǎn)時(shí)發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)過程參數(shù)不穩(wěn)定，產(chǎn)品不合格導(dǎo)致報(bào)廢。經(jīng)驗(yàn)分析推測是反應(yīng)釜在生產(chǎn)產(chǎn)品時(shí)有循環(huán)水從接管焊縫處泄漏進(jìn)入反應(yīng)釜。為避免造成再次的生產(chǎn)事故，對(duì)其原因進(jìn)行分析并整改[1]。

1 泄漏原因分析

1.1 釜內(nèi)盤管結(jié)構(gòu)

該反應(yīng)釜內(nèi)并列有12組φ60.3×5.6mm的蒸汽盤管，其下端與釜體下封頭部位焊接。每組盤管用3組導(dǎo)向支架固定在反應(yīng)釜筒體的墊板上(見圖1)，盤管最上端倒“U”形部分與φ21.3×3.6mm的接管進(jìn)行焊接共同焊接接入最上端總接管內(nèi)，下部盤管作固定端。生產(chǎn)時(shí)需間斷地向盤管內(nèi)通入約200℃的飽和蒸汽(或冷卻水用于降溫)。設(shè)計(jì)者最初的設(shè)想是：上部盤管作移動(dòng)端，盤管變形時(shí)可向上自由移動(dòng)；保證蒸汽盤管直段上部為自由端以增加盤管彈性和柔性，減少了盤管受熱時(shí)因膨脹而產(chǎn)生的熱應(yīng)力。

圖1 盤管支架結(jié)構(gòu)

1.2 宏觀檢查結(jié)果

盤管材料為不銹鋼類，接管三通為挖耳三通(見圖2)，其部位切割后發(fā)現(xiàn)，支管與主管開孔部位錯(cuò)位焊接(見圖3)，其內(nèi)外表面光滑，未見腐蝕或沖刷減薄現(xiàn)象；對(duì)焊接部位進(jìn)行著色探傷，在蒸汽盤管直管段上部挖耳三通處的接管角焊縫根部處發(fā)現(xiàn)滲透劑被顯像劑吸附痕跡，放大鏡觀察發(fā)現(xiàn)有開口缺陷，泄漏性試驗(yàn)進(jìn)一步證實(shí)此處為穿透性開裂[2]。

圖2 挖耳三通

圖3 支管與主管開孔部位錯(cuò)位

1.3 盤管結(jié)構(gòu)分析

盤管下部固定，受導(dǎo)向支架的約束，盤管只能做縱向移動(dòng)，當(dāng)盤管底部通入蒸汽時(shí)，挖耳三通接管角焊縫處的應(yīng)力主要來自三個(gè)方面：一是管道受熱膨脹產(chǎn)生熱應(yīng)力，導(dǎo)向支架的約束作用使產(chǎn)生的熱應(yīng)力由管道自身全部作用到上部焊接接管上；二是盤管直徑大于總管，根據(jù)流體力學(xué)原理，管徑的縮小導(dǎo)致流速變大，造成總管內(nèi)壓變大，其壓力最終轉(zhuǎn)移上部焊接接管上；三是總管與盤管相連接的挖耳三通處 開孔錯(cuò)位，導(dǎo)致蒸汽流動(dòng)受阻，對(duì)總管造成縱向的沖擊，使三通角焊縫常處于拉伸狀態(tài)。由于工藝流程的需要，蒸汽內(nèi)盤管需間斷地通入蒸汽導(dǎo)致蒸汽內(nèi)盤管周期性地受熱膨脹和冷卻收縮。經(jīng)過一段時(shí)間運(yùn)行后，最上部挖耳三通處，在熱疲勞的作用再加上接管焊接缺陷(沒有開坡口進(jìn)行焊接)，最終導(dǎo)致挖耳三通接管角焊縫處產(chǎn)生裂紋或開裂。

1.4 挖耳三通有限元分析

● 1.4.1 有限元模型

為進(jìn)一步論證上述推斷，了解接管處的受力狀況，采用有限元方法，建立挖耳三通接管模型，如圖4所示。因?qū)ΨQ性，為使提升計(jì)算速度，采用1/2模型，采用對(duì)稱約束的方法進(jìn)行分析[3]。

圖4 挖耳三通有限元分析模型

● 1.4.2 邊界條件及載荷的施加

根據(jù)挖耳三通接管的受力狀態(tài)，在模型端部施加軸向位移約束，對(duì)稱面施加對(duì)稱約束，管道內(nèi)表面施加內(nèi)壓P=1MPa。

● 1.4.3 結(jié)果分析

經(jīng)計(jì)算后，挖耳三通接管的等效應(yīng)力（第一強(qiáng)度理論）如圖5所示，可見接管處的應(yīng)力主要集中在焊縫處，為進(jìn)一步研究挖耳三通附近應(yīng)力分布狀況，取路徑bd,bac,be進(jìn)行分析，結(jié)果如圖6～圖8所示。焊縫相關(guān)線b點(diǎn)應(yīng)力最大，同時(shí)集中程度很高，應(yīng)力集中系數(shù)為6.9。越靠近三通相貫線位置應(yīng)力越大，因此焊接時(shí)質(zhì)量要嚴(yán)格控制或選擇鑄造成型的三通。同時(shí)因該盤管只限制水平位移，豎直方向的移動(dòng)會(huì)產(chǎn)生疲勞載荷，也容易造成焊縫處疲勞開裂。

圖5 三通等效應(yīng)力分布云圖

圖6 路徑bd應(yīng)力分布

圖7 路徑bac應(yīng)力分布

圖8 路徑be應(yīng)力分布

2 改進(jìn)方法

對(duì)上述接管角焊縫處進(jìn)行開孔補(bǔ)強(qiáng)或改用標(biāo)準(zhǔn)三通接頭，其兩側(cè)采用對(duì)焊連接，施焊方便，改善三通部位受力狀況。

3 重新開車前的注意問題

在R-0104反應(yīng)釜檢修工作(如焊渣清理、焊縫酸洗，管道試壓、管道復(fù)原等)完成后，使用時(shí)應(yīng)首先打開蒸汽管道上的閥門，通入少量蒸汽進(jìn)行暖管，并打開蒸汽管上的疏水閥進(jìn)行排水。因?yàn)樵谡羝庸芎附有迯?fù)過程中產(chǎn)生了焊接應(yīng)力，如果不進(jìn)行暖管而直接打開蒸汽閥門通入蒸汽，就會(huì)因溫度上升過快而造成管道局部應(yīng)力集中，導(dǎo)致管道出現(xiàn)新的變形甚至產(chǎn)生裂紋等現(xiàn)象。暖管時(shí)要控制蒸汽流量及暖管速度，注意調(diào)節(jié)蒸汽管閥門的開度，以防止因蒸汽流量過大而導(dǎo)致盤管溫升過快，并盡快排出蒸汽盤管內(nèi)的冷凝水。一般低壓暖管時(shí)，升壓速度為0.1MPa/min；升壓暖管時(shí)，升壓速度為0.5MPa/min[4]。暖管可消除或降低蒸汽盤管在修復(fù)過程中局部管段產(chǎn)生的部分附加應(yīng)力，以減少和避免蒸汽盤管在工作中受力不均和應(yīng)力集中的現(xiàn)象。

1 顧永泉.機(jī)械密封實(shí)用技術(shù).北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2001

2 全國壓力容器標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì).壓力容器無損檢測.北京：機(jī)械工業(yè)出版社,1998

3 楊寧祥,李惠榮.異徑焊制三通應(yīng)力的有限元分析.化工裝備技術(shù),2006,(05)：25－27

4 李三軍.關(guān)于優(yōu)化汽輪機(jī)起停操作的探討.廣東電力,2005, (5)：68－70

Discuss the cause of internal-coil leak in reaction kettle, through the on-site inspection into reaction kettle and f nite element analysis, conf rmed that there is a slight crack in angle seam due to local stress concentration, and discuss the improvement methods combining the reaction kettle’s structural features and working condition.

Internal-coil Pipe angle seam Stress concentration Improving methods

2013－07－31）