蒸发器管板与换热管接头泄漏原因及返修

来源：发布时间：2014-07-19 11:36:03点击率：

　　1 泄漏原因

　　管壳式换热器是石油化工企业广泛使用的设备之一，设备制作质量的关键在于管接头的制作质量。氯碱装置中烧碱蒸发器加热室、氯气液化器、氯乙烯转化器以及冷凝器等设备泄漏就会影响到单个生产装置停车或降低生产负荷。氯碱企业使用的换热器虽然不像石化企业换热器承受高温高压，但介质腐蚀性强，流动磨蚀严重，有些固定管板换热器还有温差应力，如果设计、制造、使用不合理，管接头极易泄漏，导致换热器失效。

　　烧碱蒸发器加热室是用来将NaOH质量分数为 17%左右的烧碱提浓到25%左右的管壳式换热器，其中壳程用0.15 MPa左右二次蒸汽进行加热，管程含有氯根及氯酸根等杂质。加热室管板与换热管均采用0Cr18Ni10Ti，管板厚度为50 mm，考虑到换热管壁热阻的影响，换热管采用薄壁管(覫57mm×2mm)，正三角形排列，中心距72 mm，276根。由于碱液浓度及温度的影响，加热室的加热管会受到氯化钠的冲刷磨损、应力腐蚀、碱脆、点蚀以及缝隙腐蚀。GBl5l—l999《管壳式换热器》中规定，强度胀接适用于设计压力≤4 MPa、设计温度≤300℃、无剧烈振动、无过大温度变化及无应力腐蚀的场合[1]。不锈钢管的延展性好，胀管性能非常好，管板与换热管连接方式采用了强度胀。该设备使用了4年左右，壳程冷凝水含碱量超过正常值，检查后发现下管板连接处的换热管管壁非常薄，不到0.6 mm，管板与换热管接头靠壳程侧多根换热管破损，有4根换热管与管板松脱泄漏，壳程内部换热管壁厚薄非常不均匀，上管板则没有此现象。抽出1根换热管检查，从下至上厚度为0.5~1.5 mm。分析有如下原因。

　　(1)下管板连接处的换热管管壁非常薄的原因是加热室下接循环泵，碱液中含有的结晶盐对管板处换热管冲刷磨损，在加热室下面，冲刷磨损大，管壁减薄严重。

　　(2)胀接中必须保持合适的胀紧度，欠胀不能保证胀口的密封性，过胀则因管壁减薄过大而导致管子断裂和管板变形。在过胀的情况下，换热管与管板胀接时在胀接力的作用下产生塑性变形，换热管变薄，对开槽胀接的换热管变形减薄量更大。而该设备采用的是薄壁换热管，在冲刷磨损的作用下容易破损[2]。

　　(3)强度胀接时，管板与换热管应有适当的硬度差，即管板比换热管的硬度应稍高30 HB左右，否则管子回弹大于管板，造成胀接不紧。0Cr18Ni10Ti 不锈钢管加工硬化倾向较大，在胀接和弯曲时，材料中的奥氏体组织会产生马氏体相变，使变形部位的屈服强度大幅上升。覫57不锈钢换热管对应的管板管孔直径为覫57.55 mm，允许大偏差为0.25 mm，这样管子外径与管板管孔之间的大间隙为0.8 mm，要达到胀紧目的，管子必须有较大的变形量，然而 0Cr18Ni10Ti管子在胀接变形量增加的同时，其硬度也随之增加，从而使换热管的硬度更加大于管板硬度，使得胀接更不紧。有时，为了减少加工硬化，可采用较紧的管子外径和管孔之间的配合。

　　(4)管接头应力腐蚀。胀口质量主要取决于管端上径向残余压缩应力，其值同管子与管板的材料、尺寸、是否开槽、胀管率、管子与管板的径向间隙及表面粗糙度等因素有关。换热管的胀管过程大致分为 3个步骤，步是换热管插入管板的过程，换热管与管板留有一定的间隙，间隙按照GB151中I级管束要求;第二步是用胀管器使换热管与管板孔紧密贴合在一起，此过程换热管逐渐从弹性变形向塑性变形过渡，管板孔处于弹性变形阶段;第三步是完成换热管胀接，换热管与管板孔都产生变形，管板孔产生变形量，换热管内径增大，换热管壁厚有一定减薄量，如图1所示。对于钢管和钢板而言，强度胀的减薄率为12%~18%;密封胀为7%~10%;贴胀为3%~7%。

　　为了得到良好、稳定的胀口性能，除了严格控制管板的加工精度，保证管板材料与管子材料适当的硬度差，还需正确选用胀管器、胀管动力和控制手段，保证合适的胀度及采取合理的胀接顺序等。由于胀接管端处在胀接时产生塑性变形，存在着残余应力，随着温度的上升，残余应力逐渐消失，这样使管端处密封性和结合力降低。另外，强度胀附加应力大，而机械强度胀的附加应力更大，在管头部位机械胀接的台阶处容易产生应力腐蚀树状裂纹而失效。

　　(5)介质中含有氯离子，氯离子对奥氏体不锈钢的应力腐蚀破坏性极大。奥氏体不锈钢应力腐蚀受温度、介质、不锈钢化学成分等影响，在冷变形作用下，这些应力的产生使金属内部稳定的组织受到破坏，晶粒在应力方向的作用下错位而形成滑移，会形成腐蚀。

　　(6)胀接工艺不合理[3]。该换热器采用机械胀接，换热管与管板的连接在整个长度上的应力分布不均匀。胀接前应先检查管孔与管端的结合表面是否有油渍和异物存在，管子胀在管板上后，由于管子的伸长，在管子连接处会产生附加应力，如胀接顺序不合理，将会导致接头上过大的附加应力和管板过大的变形，从而降低胀接接头的质量，在胀第二块管板时,一般认为合理的顺序是从管板外层管子开始，逐步胀到中心，否则中心部位管子拉应力增加很多，甚至被破坏。

　　上述原因中(1)、(2)两点为主要原因。另外，还存在使用上的原因，如果蒸发器结盐严重，循环泵操作不当，壳程中汽水冲击换热管就可能诱发管束振动，导致管接头突变处发生泄漏或疲劳破损，如图2所示。

　　2 返修方案

　　确定加热室泄漏后，考虑利用管板和壳体更换换热管，但不锈钢冷加工的加工性能较差，主要体现在断屑难，刀具易磨损，获得较高表面质量的难度大。用钻床试打了1根换热管，但换热管钻削时塑性大、韧性高，不易断屑，切削过程中易堵塞，影响加工表面的光洁，加工时间长。由于当初加工时采用开槽强度胀，更换换热管不太妥当，重新加工1台也不妥当。在下管板管接头处所有接管加1段套管，用紧胀的办法使套管与换热管紧配合。套管的长度超过破损处30 mm左右，并在管头外径车削10丝，如图 2所示。

　　在下管板所有换热管加完套管后，对4根换热管与管板的松脱泄漏采用氩弧焊的方法进行了补漏。返修结束后，对壳程以压力0.2 MPa进行了水压试验，发现原来管接头内部破损的地方都与套管紧密贴合，不再泄漏。目前已经使用了将近8个月，一切正常。

　　3 改进制造方法

　　在设备的管接头联接方法上，因为管板厚度为 50 mm，可以考虑采用强度胀加贴胀的方法，结构如图3所示。

　　蒸发器加热室使用寿命一般在10年左右，该台设备只使用了4年，固然绝大部分原因是生产工艺所致，但在该设备设计、制造方面也存在问题。如设计上对开槽就有要求，GB151-1999中规定强度胀要求换热管伸出长度不小于3 mm，使管板与换热管贴胀处不受冲刷磨损，同时要求胀接长度不准超出管板背面，并应离开3 mm，以避免换热管在胀接时产生塑性变形而产生破坏[4]，但在制造时就不一定能保证。在对换热管进行强度胀时，对胀度也有要求。强度胀要有合适的胀度，要控制管孔与换热管的间隙。间隙是影响管接头胀接质量的重要因素，间隙越大越容易过胀。在GB151中，I级管束是较高级、冷拔钢管，不锈钢管都应选用高精度、较高精度冷拔钢管。

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