摘要：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)。

    　關(guān)鍵詞：管接頭；泄漏原因；返修

    　中圖分類號(hào)：TQ051.5文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B文章編號(hào)：1009－1785(2010)01－0026-03

    　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(huì)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（覫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(huì)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(chǎng)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(duì)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(duì)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?nbsp;差，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(huì)產(chǎn)生馬氏體相變，使變形部位的 屈服強(qiáng)度大幅上升。覫57不銹鋼換熱管對(duì)應(yīng)的管板 管孔直徑為覫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(jí)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(duì)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)?nbsp;硬度差，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(tái)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(duì)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(huì)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(huì)產(chǎn)生附加應(yīng)力，如脹接順序不合 理，將會(huì)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(tái)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(duì)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(duì)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?nbsp;50 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(tái) 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(duì)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(duì)換熱管進(jìn)行強(qiáng)度脹時(shí)，對(duì)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(jí)管束是較高 級(jí)、高級(jí)冷拔鋼管，不銹鋼管都應(yīng)選用高精度、較高精度冷拔鋼管。

參考文獻(xiàn)：

[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(huì).壓力容器設(shè)計(jì)工程師培訓(xùn) 教程．2006. 

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