蘇暢

摘要：某熱交換器在使用過程中發(fā)生殼程圓筒開裂失效，通過對失效部位打磨和檢查，對失效原因進行分析。分析表明，二臺設備共發(fā)生的四處開裂，為局部結構高應力引起的機械疲勞斷裂。裂紋區(qū)域與殼程內頂部筋板端部和圓筒連接部位重合，斷口方向沿筒體周向與局部結構應力方向垂直，應與筋板承受彎曲應力及結構應力集中相關;拉撐結構傾斜角與標準存在較大差異，導致與筒體連接部位在局部高應力作用下，在筒體內部產(chǎn)生初始裂紋并沿厚度及彎曲應力垂直方向擴展，最終導致貫穿性開裂。針對失效原因，提出了使用建議與改進措施。

關鍵詞：熱交換器? ? ? ?殼程? ? ? 開裂? ? ? 失效分析

中圖分類號：TE965? ?文獻標識碼：A? ?文章編號：1672-3791（2022）06（b）-0000-00

近年來，我國西南地區(qū)天然氣開采、凈化與集輸產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛，工藝系統(tǒng)與關鍵技術自主化也取得了長足進步[1]。但由于工藝系統(tǒng)運行與過程數(shù)據(jù)積累深度尚不充分，導致部分關鍵設備的設計與使用管理經(jīng)驗有所缺失，發(fā)生了設備損傷、失效等現(xiàn)象，輕則導致裝置被迫停工、停產(chǎn)，重則導致燃爆事故發(fā)生，影響企業(yè)的健康發(fā)展[2-3]。該文通過對西南某天然氣凈化廠回收裝置二臺在役熱交換器殼程圓筒本體開裂失效事故進行分析，對該類型設備的設計與使用管理提出了改進建議與措施，供同行借鑒。

1開裂設備簡介

1.1 設備概況

某凈化廠二臺同工位熱交換器（以下簡稱設備1與設備2）于2015年投入使用，是該廠關鍵工藝設備。其作用是管程介質以Claus工藝反應過程氣為原料，殼程以鍋爐補水為冷源，在管/殼程的間壁換熱作用下，管程過程氣中的硫蒸氣冷凝并在出口收集，從而實現(xiàn)單質硫回收。設備規(guī)格為?1800 mm×12000 mm。

1.2設備結構

設備采用固定管板式熱交換器結構，其中管板按照殼體不帶膨脹節(jié)的拉撐管板（以下簡稱“管板”）設計[4]，兩端結構相同，詳見圖1。設備采用非對稱布管結構，管板中下部區(qū)域均勻布管，上部區(qū)域不布管預留殼程蒸發(fā)空間，管板不布管區(qū)采用斜拉筋（筋板）加強。殼體與斜拉筋材質均為Q245R板材，管板材質為20鋼鍛件。2020年7月發(fā)生殼程圓筒本體開裂，殼程蒸汽泄漏，裝置被迫停工。二臺設備開裂部位類同，且各有兩處，均位于管程工藝氣進口前管板與殼程圓筒頂部連接處附近，分別標記為F1和F2，詳見圖1。

2開裂設備檢查

2.1 宏觀檢查

設備1現(xiàn)場泄漏的部位詳見圖2，設備2現(xiàn)場泄漏的部位詳見圖3。

經(jīng)過宏觀檢查，管板與殼體焊接接頭處未見裂紋，兩臺設備的裂紋F1和F2均位于殼程圓筒頂部的母材區(qū)域，距管程進口管板焊縫約250 mm，裂紋方位與殼體環(huán)向焊縫平行。

兩臺設備的裂紋F1和F2均處于跨筒體中心線的兩側，位置分布對稱，形貌相似。裂紋附近實測壁厚無明顯的減薄，亦無明顯的局部腐蝕，裂紋已貫穿筒體，并使內部蒸汽泄漏，裂紋處未見明顯的腐蝕產(chǎn)物?；诂F(xiàn)場裂紋形貌的檢查結果，經(jīng)宏觀檢查判斷，該裂紋不屬于韌性斷裂，主要考慮容器筒體韌性破裂在宏觀上一般表現(xiàn)為筒體局部產(chǎn)生鼓脹等塑性變形，在充分鼓脹后迅速撕裂開一條較長的裂縫，且與筒體受內壓作用最大主應力方向垂直，即容器筒體韌性斷裂裂紋方向應沿筒體軸線方向[5-7]。而圖2與圖3顯示裂紋方向與筒體受內壓作用最大主應力方向平行，沿筒體周向，且未見筒體明顯鼓脹塑性變形，故筒體韌性斷裂可能性小[8]。

2.2裂紋檢查

現(xiàn)場對殼程圓筒的2處局部裂紋進行打磨，裂紋貫穿殼程筒體，可見殼程內部斜拉筋，且拉筋位于裂紋寬度1/2處。設備1裂紋情況詳見圖4，設備2裂紋情況詳見圖5。

3設備開裂原因分析

3.1 設備材料

經(jīng)過對設備筒體材料質量證明書進行檢查，殼程圓筒母材為Q245R正火板，且進行逐張超聲檢測，鋼板無分層等原始缺陷，排除材料原始缺陷。

3.2設計計算

3.2.1殼程圓筒

按設備結構尺寸與設計參數(shù)，根據(jù)GB/T 150[9]圓筒計算公式，且考慮GB/T151推薦不可抽管殼式換熱器殼程圓筒最小厚度，殼程圓筒壁厚不應小于13 mm，殼程圓筒實際取用板材厚度為18 mm，滿足設備設計要求。

3.2.2管板

設備所用薄管板的計算方法是基于有拉撐的管板計算，管板中下部均勻布管區(qū)域考慮換熱管對管板的拉撐作用，管板上部非布管區(qū)域考慮斜拉筋對管板的拉撐作用。筆者按GB/T 16508.3[10]對管板及斜拉筋進行校核計算，同時對布管區(qū)域換熱管、布管區(qū)周邊換熱管及布管區(qū)外的斜拉筋支撐面積進行劃分與繪制，詳見圖6。

3.2.3筋板結構情況

現(xiàn)場設備實物筋板采用45°斜撐結構，圖紙筋板設計結構詳見圖7。

3.2.4筋板受力分析

管板拉撐面積劃分結果表明，斜拉筋拉撐作用最大面積在筒體中心線兩側拉筋C1、拉筋C2處，從圖6量取兩個筋板對稱作用面積A，結果均為70 420 mm2，按殼程側設計壓力引起的斜拉筋截面A計算拉應力σ：

斜拉筋在設計溫度下的許用應力為128.5 MPa，計算拉應力小于許用應力，斜拉筋強度滿足自身強度要求。

現(xiàn)場設備實物筋板與GB/T 16508標準結構（詳見圖8）及要求存在較大差異，主要區(qū)別為拉撐角度與連接端局部結構，考慮失效部位與筋板連接端重合，需采用應力分析對結構的應力水平進行計算，評估結構風險。

3.3應力分析及對比

對設備建立分析模型，模型1為設備實際結構，模型2為GB/T 16508結構，兩者筋板位置、數(shù)量相同，并施加相同的壓力和溫度載荷[10-12]，分析結果見圖9～16。

對比圖15和圖16可知，設備采用的結構，模型1筋板上最大應力為240 MPa，最大應力點在筋板與殼程圓筒連接處的尖端，且最大應力作用方向沿設備軸向，與筒體薄膜應力的主應力方向為垂直關系。在同樣的邊界條件與載荷下，模型2筋板上最大應力為129 MPa，僅為設備實際采用結構的54%。

3.4結果分析

根據(jù)現(xiàn)場觀察結果與以上分析結果，裂紋?區(qū)域與殼程內頂部筋板端部和圓筒連接部位重合，?斷口方向沿筒體周向與局部結構應力方向垂直，應與筋板承受彎曲應力及結構應力集中相關?？紤]高溫端管板側為設備產(chǎn)氣量較大區(qū)域，管板上下部分存在一定溫差，且操作過程存在一定載荷波動;非對稱布管需設置拉撐承受管板的壓力及溫度載荷;標準拉撐結構采用較大傾斜角（不應小于60°）及根部圓滑過渡結構，減小連接位置的應力集中;但本項目拉撐結構傾斜角（45°）與標準存在較大差異，導致與筒體連接部位在局部高應力作用下，在筒體內部產(chǎn)生初始裂紋并沿厚度及彎曲應力垂直方向擴展，最終導致貫穿性開裂。

4建議

（1）定期檢驗：對設備高溫側與拉撐連接的筒體及管板區(qū)域進行超聲檢測掃查[13]，如發(fā)現(xiàn)裂紋，進行消缺處理。（2）運行監(jiān)測：對設備高溫側與拉撐連接的筒體及管板區(qū)域進行聲發(fā)射在線監(jiān)測。（3）操作：開、停工期間控制升/降溫速率，減少溫差應力;運行期間，減少工藝負荷波動。

5結語

（1）參照GB/T 16508優(yōu)化筋板結構，應降低局部連接部位應力水平，與管板及筒體連接的結構區(qū)域局部倒圓，避免采用尖銳結構導致應力集中。

（2）采用多層次斜拉桿布置結構，降低拉撐元件作用區(qū)域的局部應力，同時改善管板與殼程圓筒整體受力情況，減小拉撐元件的作用力，同時使拉撐元件的作用范圍趨于均勻。

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