套管换热器弯管开裂分析

滕春东

摘 要：固安县天昊助剂有限公司一台套管式废水换热器正常运行一年后，其中一段U型连接管在使用过程中发生开裂，通过分析得出裂管原因，并且提出预防措施。

关键词：套管式换热器；U型管；分析；预防措施

1 前言

我公司于2014年7月为固安县天昊助剂有限公司设计了一台套管式废水换热器，套管式换热器是一种结构简单，安装灵活，传热面积增减自如，传热效能高的一种换热器，投产后一直运行良好，但一年后却出现一段U型连接管失效，其内拱侧开裂的现象。

2 设计概况

该换热器外管壳程公称直径DN65，内管管程公称直径DN40，管壳程设计压力均为7.7MPa，设计温度为280℃，采用TA10无缝钢管制造。壳程介质为氧化水，管程介质为废水，废水中含有一定量的有机物及盐类物质，经化物所试验研究决定采用TA10材料，进行强度计算，得出外管规格采用φ76×4.5mm，内管规格采用φ45×3mm，U型连接管亦采用φ45×3mm。破裂处的U型弯管，是管程中两个U型套管的连接管，裂口位于弯管的内拱处（图1）。

3 取样分析

3.1 厚度测量

对该失效的U型弯管进行取样检测，在弯管破裂处和直边段随机处切开，对破裂处截面内拱、外拱及两侧进行了测量，对直边段截面选取等分的4处进行了测量，测量厚度结果满足强度计算中计算厚度的要求，测量厚度结果见下表（单位mm）。

3.2 宏观观察

直边段切开后，观察内壁，表面情况良好。开裂处外表面呈现金黄色，裂口呈喇叭口状，长约45mm，宽度约为13mm，管壁明显减薄，边缘十分锋利，具有韧性断裂特征，观察靠近裂纹位置内壁形貌，表面有明显的腐蚀形貌，氧化较为严重，近距离观察断口侧面形貌，靠近断口位置已经呈现紫蓝色，且断口周边已经有沿圆周方向的鼓起，呈氧化黄色。

3.3 扫描电镜分析

将取下的开裂换热器裂口浸入丙酮内经超声波清洗后放入扫描电镜内，断口形貌如图所示（图2），能观察到极少量的韧窝形貌。断口内壁存在明显的点腐蚀坑，并且观察到腐蚀产物的附着，对腐蚀产物进行能谱分析，结果显示除基体元素外，还存在着较多的N、O元素。

3.4 金相分析

将开裂换热器U型管取样进行金相分析，裂纹区域金相组织为α+少量颗粒状β，远离裂纹区域的金相组织为α+少量颗粒狀β，对裂口附近鼓包区域进行金相分析，金相组织仍为α+少量颗粒状β，无明显区别。

4 讨论与结论

4.1 讨论

根据GB150.1～4-2011及HG/T20582-2011中相关条款，对裂管段进行强度计算，得出结论为合格，并不是因为厚度不足而导致破裂。据弯管受力情况分析，环向应力最大处位于弯管内拱侧，这恰与开裂位置吻合，且电镜分析断口出现少量韧窝形貌，这也是典型的韧性断裂特征。裂口附近颜色呈紫蓝色，说明该部位可能长期在高温的环境下运行，这种现象一般是管内局部热负荷过高造成，管内汽水循环不良或管内结渣，对传热不利，均会使得壁温升高而造成超温运行。能谱分析除基体元素外，还有较多的N、O元素，说明在工作过程中接触到NO3-离子，介质中存在的NO3-离子，对钛材产生过快的腐蚀而致壁厚减薄，导致局部应力增大而破裂。弯管制造过程中，管子壁厚可能不均匀，弯制过程中内拱处产生过大的残余应力，导致局部应力过高，或是弯管制造过程中，内壁处存有划痕、凹痕、细微裂纹或者尖锐棱角等，都会增加开裂的危险因素。

4.2 结论

①断口附近局部为蓝紫色，为高温造成的氧化，使用过程中存在超温运行。

②介质废水中杂质和腐蚀源过多。

③弯管自身存在缺陷或弯制过程中产生缺陷。

5 预防措施

通过上述分析可以得出，换热器在使用过程中由于超温，使得局部热应力过高，材料许用应力降低，加上NO3-离子腐蚀、制造缺陷、内拱处存在的残余应力共同作用，导致裂纹。为避免相同事故的发生，建议在日后的使用过程中，工作人员应注意对管程工作温度的控制，并定期清理U型弯管内的污垢及结渣；对管程介质废水进行定期化验，严格控制废水中NO3-离子的含量；将来如需更新设备再次制造时，应严格控制制造质量，降低制造缺陷，并消除U型管在弯制过程中产生的残余应力，从而在设计、制造、安装及操作等各方面都达到安全要求，避免事故的发生。

参考文献

[1]GB150.1～4-2011，压力容器[S].北京：中国标准出版社，2012.

[2]秦叔经.化工设备设计全书[M].北京：化学工业出版社，2003.

（作者单位：大连大化工程设计有限公司）