（化学工程专业论文）原料气氨冷器失效分析及防失效设计.pdf

酬大学工程硕士学位做 y 6 5 4 5 9 0 原料气氨冷器失效分析与防失效设计 化学工程专业 研究生甘宗正指导教师闫康平张叔自 原料气氨冷器是合成氨生产的重要换热设备，在生产过程中将经转 化、中、低温变换、脱碳、甲烷化等工序后得到的原料气进一步降温， 使之达到氮、氢压缩机设计入口温度，分离冷凝介质中所含水分，以提 高输气能力，保障其正常运行。 本课题以解决原料气氨冷器频繁出现的泄漏失效为研究内容。原料 气氨冷器为一卧式换热器，在安装投入使用后，使用不到2 个月都出现 “内漏”现象，在历次更换设备检查中，均表现为换热管的“胀粗”和 轴向破裂等破坏。 本文通过现场事故调查、失效列管的试验分析和理论探讨，找到原 料气氨冷器失效的可能原因，并针对失效原因进行防失效设计。 失效列管的宏观检验、材质化学成份分析、力学性能试验表明失效 列管与未失效材料相比较材料化学成份和机械性能无明显变化。 通过对2 0 钢的组织和珠光体球化条件的分析，排除了氨冷器列管 发生球化而失效的可能；对原料气氨冷器材质、列管腐蚀情况、以及工 艺条件等因素的分析，得出导致原料气氨冷器列管失效的主要原因是工 艺介质含水造成2 0 钢管的局部腐蚀、0 c r l8 n i 9 的晶间腐蚀和冰堵， 从而使原料气氨冷器列管破裂失效。 本文还计算了原料气在甲烷化反应中生成水和原料气经原料气水冷 器和氨冷器冷凝后形成水的质量。 亲蠓参蠢； 四川大学工程硕j 二学位论文 根据原料气氨冷器失效分析，在设计中列管选用了热乳的2 0 铡： 同时改变了工艺流程，在氨冷器前增加了直径为1 2 m 的原料气氨冷器 入口分离器，使原料气中的水分在进入氨冷器前被分离；同时氨冷器上 增加直径为2 5 r a m 的排污口，进一步分离进入氨冷器中的水分。彻底 杜绝了原料气中的水分造成列管腐蚀和形成冰堵的可能性，达到了预防 氢冷器失效的目的。 通过2 0 0 3 年原料气氨冷器防失效方案实施后的水量分离效果的观 察测量，表明原料气在原料器冷却后形成冷凝水和甲烷化反应生成水总 量的9 0 以上均被氨冷器入口分离器分离掉，氨冷器形成冷凝水在氨 冷器出口分离器中分离，氨冷器列管内积水亦通过排污口定时排放。不 仅保证了氮氢压缩机进口气体的洁净，保护压缩机正常工作，而且杜绝 腐蚀和冰堵条件的形成，为氨冷器使用寿命提供保障。 原氨冷器无论采用何种材质，在系统负荷大于4 8 0 0n m 3 h 时，设 备均发生失效，而2 0 0 3 年6 月更换设备后在高负荷下运行，至今没有 出现列管破坏，说明改造是成功的：通过防失效设计设备投用后与历次 更换设备的投资及寿命比较分析表明防失效设计方案带来了较大的管理 效益和技术效益，具有较大的推广性和指导意义。 关键词：原料气氨冷器、失效分析、介质含水、腐蚀、 冰堵、防失效设计 四川大学工程硕j 学位论文 f a i l u r ea n a l y s i sa n da n t i f a i l u r ed e s i g n o fa m m o n i ac o o l e rf o rr a wg a s m a j o r ：c h e m i c a le n g i n e e r i n g m a s t e rc a n d i d a t e ：g a nz o n g z h e n g s u p e r v i s o r ：y a nk a n g p i n gz h a n g s h u z i t h et r o u b l e s h a p p e n e dt o t h ea m m o n i ac o o l e r sf o rr a wg a sd u r i n gi t s w o r kt i m ei n h o n g h u aa m m o n i as y n t h e s i z e dp l a n tw e r ed i s c u s s e d t h i s k i n do fa m m o n i ac o o l e r s f o rr a w g a s i sah o r i z o n t a l h e a t e x c h a n g e d a p p a r a t u s i t w a sf o u n dt h a t 。i n n e r l e a k a g e ”a p p e a r e dw i t h i n t w o - m o n t h a p p l i c a t i o na f t e ri t si n s t a l l a t i o n a l lt h ed e s t r o y e dp a r t sw e r ee x a m i n e da n d a n a l y s e d i tw a sc o n c l u d e dt h a t t h ep h e n o m e n o no f “i n n e r l e a k a g e w a s c a u s e db ye x p a n s i o na n df r a c t u r et h r o u g ht h ea x e so ft h eh e a t e x c h a n g e d t u b e s m e t h o d s ，s u c ha s a n a l y s i s ，e x p e r i m e n t s ，e x c l u s i o n a n d c a l c u l a t i o n ， w e r ea p p l i e dt of i n do u tt h ep o s s i b l er e a s o n so ft h ef a i l u r eo ft h ea m m o n i a c o o l e rf o rr a wg a s r e l a t i v ea n t i f a i l u r ed e s i g nw a sp e r f o r m e da c c o r d i n gt o t h el i k e l yr e a s o n s m a c r o s t r u c t u r e e x a m i n a t i o n ，c o m p o s i t i o na n a l y s i s a n dm e c h a n i c a l p r o p e r t yt e s t sw e r ec o n d u c t e dt ot h ed e s t r o y e dt u b e s ，a n di t w a sf o u n dt h a t t h el a t t e rt w os h o w e dl i t t l ed i f f e r e n c eb e t w e e nt h ei n v a l i da n du n i n v a l i d m a t e r i a l s t h es t r u c t u r e sa n dt h ef o r m i n gc o n d i t i o n so f b a l l s h a p ep e a r l i t eo f s t e e l 2 0 # w e r ea n a l y s e d t h er e s u l t si n d i c a t e dt h a tb a l l s t r u c t u r ef o r m i n gi nt h e a m m o n i ac o o l e rt u b e se o u l d n tc a u s ef a i l u r e t h e n ，f a c t o r s ，s u c ha st h e 1 i i 四川大学工程硕士学位论文 m e t a l l u r g i c a ld e f e c t so f t h em a t e r i a l s ，t h ep r o c e s so f m a c h i n i n ga n dm o l d i n g ， t h ec o r r o s i o ni nt h ea m m o n i ac o o l e r s ，w a t e ri nt h em e d i u m sa p p l i e dd u r i n g t h ew o r ko fa m m o n i ac o o l e r s ，t h eo p e r a t i n gc o n d i t i o n s ( i n c l u d i n gn a t u r a l g a sp r o v i d e d ，e l e c t r i c i t yp r o v i d e d ，a c c i d e n t so f t h ee q u i p m e n t s ，v a r i a t i o no f o p e r a t i n gc o n d i t i o n sa n dt h es k i l l so f t h ew o r k e r s ) ，a n do t h e r s ，w h i c hm i g h t b et h ep o s s i b l er e a s o n sl e a d i n gt ot h ef a i l u r eo ft h ea m m o n i ac o o l e rf o rr a w g a s ，w e r e d i s c u s s e d i tw a sc o n c l u d e dt h a tt h em a i nf a c t o r s c a u s i n gt h e f a i l u r eo ft h ea m m o n i ac o o l e r sf o rr a w g a si n c l u d et h ef o l l o w i n g ： w a t e ri nt h em e d i u ma p p l i e dd u r i n gt h ew o r ko ft h ea m m o n i ac o o l e r s l e a d st o p a r t i a l c o r r o s i o no f2 0 # s t e e lt u b e ；m a t e r i a lo c r l8 n i 9s h o w s c o r r o s i o na tt h eg r a i nb o u n d a r i e s ；i c e b l o c ki sa n o t h e rf a c t o rt oc a u s et h e f r a e t u r eo ft h et u b e s a d d i t i o n a l l y ，t h ea m o u n to fw a t e rp r o d u c e db yt h er e a c t i o no fr a wg a s t om e t h a n ea l k y l a t i o na n db yt h ec o n d e n s a t i o no fr a wg a sg o i n gt h r o u g h w a t e rc o o l e ra n da m m o n i ac o o l e r ，w a sc a l c u l a t e d i no r d e rt og u a r a n t e et h e s t a b i l i t yo ft h ec o n d i t i o n sp r o v i d e da n dt h e o p e r a t i o np r o c e s s ，a n t i f a i l u r ed e s i g no ft h ea m m o n i ac o o l e r sf o rr a wg a s w a sm a d e h e a t r o l l e d2 0 # s t e e lw a sa p p l i e dt om a k ea m m o n i ac o o l e rf o r r a wg a st u b e s s o m e t h i n gm u s tb ec h a n g e di nt h ew o r k i n gp r o c e s s ，w h i c h h e l p st os e p a r a t ew a t e ri nt h eg a sb e f o r ei tg o e st h r o u g ht h ea m m o n i a c o o l e r a c c o r d i n g l y ，as p e c i a ls e p a r a t i n ga p p a r a t u sw i t ht h ed i a m e t e ro f1 2 mw a s d e s i g n e da tt h ee n t r a n c eo f t h ec o o l e r s i m u l t a n e o u s l y ，r e f o r m i n gd e s i g n st o t h ea m m o n i ac o o l e rf o rr a wg a sw e r ec o n d u c t e d f o re x a m p l e ，a ne x i to ft h e w a s t ew i t ht h ed i a m e t e ro f2 5 m mw a sa d d e dt o s e p a r a t et h ec o o l e dw a t e r f r o mt h eg a s t h u s ，t h ew a t e ri nt h eg a s ，w h i c hc a u s e dc o r r o s i o no ft h et u b e s ， a n dt h ec o n d i t i o n sh e l p i n gt of o r mi c e b l o c kw e r ef o r b i d d e n a sa r e s u l t ，t h e f a i l u r eo fa m m o n i ac o o l e rf o rr a wg a sw a s p r e v e n t e d i n2 0 0 3 ，t h ep r o g r a mt op r e v e n tt h ef a i l u r eo ft h ea m m o n i ac o o l e rf o r r a w g a s w a sp u ti n t o p r a c t i c e ，a n d t h ee f f e c to fw a t e r - s e p a r a t i o nw a s o b s e r v e da n dt e s t e d i ts h o w e dt h a t9 0 o ft h ec o n d e n s e dw a t e r w h i c hw a s 凹川大学工程硕卜学位论文 f o r m e da f t e rt h er a wg a sw e n tt h r o u g ht h ea m m o n i ac o o l e ra n da f t e rt h e r e a c t i o no fm e t h a n ea l k y l a t i o n ，w a s s e p a r a t e d a tt h ee n t r a n c eo ft h e a m m o n i ac o o l e r t h ec o n d e n s e dw a t e rf o r m e di nt h ea m m o n i ac o o l e rw a s s e p a r a t e da tt h ee x i to f i tt h es e e p e ri nt h ea m m o n i ac o o l e rt u b e sw a sg i v e n o f fi nt i m i n gt h r o u g ht h ee x i to ft h ew a s t e t h ea b o v em e a s u r e m e n t sm a d e t h ei n t a k eg a si n t ot h en i t r o g e n h y d r o g e nc o m p r e s s o rc l e a n ，a n dt h u sm a d e t h e c o m p r e s s o rw o r kw e l l a tt h e s a m et i m e ，t h e f o r m i n gc o n d i t i o n s o f c o r r o s i o na n di c e b l o c kw e r eg e tr i do f , w h i c hg u a r a n t e e dal o n g e rl i f eo f t h ea m m o n i ac o o l e r w h a t e v e rk i n d so fm a t e r i a l st h ea m m o n i ac o o l e rw a sm a d e ，f a i l u r e s h a p p e n e dt ot h ef o r m e ro n ew h e nt h el o a do ft h es y s t e mw a sb e y o n d4 8 0 0 n m hi ns u m m e r t h ee q u i p m e n tw a s c h a n g e di nj u n e ，2 0 0 3 a n d n o d e s t r o yt o t h et u b e sw a se v e rf o u n dw h e ni tw a su n d e rh e a v yl o a d s ，w h i c h d e m o n s t r a t e dt h a tt h er e f o r m i n gw a ss u c c e s s f u l c o n s i d e r i n gt h ee x p e n s eo f a n t i - f a i l u r ed e s i g n ，t h ea l l p r e v i o u si n v e s to ft h e e q u i p m e n tr e p l a c i n g ，a n d t h ec o m p a r i s o no ft h el i v e so ft h ep a s tt ot h ec u r r e n ta m m o n i ac o o l e r s ，i t i n d i c a t e st h a ta n t i f a i l u r e d e s i g np r o g r a mb r i n g s b e n e f i t st ob o t h m a n a g e m e n ta n dt e c h n i q u e s o ，i tw a ss u g g e s t e dt ob ep o p u l a r i z e d k e y w o r d s ：a m m o n i ac o o l e rf o rr a w g a s ，f a i l u r ea n a l y s i s ，w a t e ri n m e d i u m s ，c o r r o s i o n ，i c e - b l o c k ，a n t i f a i l u r ed e s i g n v 四川大学工程硕i j 学位论文 第一章概论 本设计课题研究的是鸿化合成氨厂原料气氨冷器在生产过程中所出现的故 障问题。该原料气氨冷器是一卧式换热器，在安装投入使用后，使用不到2 个 月都出现“内漏”现象，经对历次更换的设备检查和分析，均为换热管产生 “胀粗”及轴向破裂等破坏。下面就氨冷器的概况做一介绍。 1 1 原料气氨冷器在合成氨生产中的作用及工况 1 1 1 原料气氨冷器在合成氨工艺流程中所处位置 鸿化公司合成氨厂以天然气为主要原料生产合成氨。其工艺过程为天然气 经过湿法p d s 稀氨水脱硫后，由天然气、空气联合压缩机加压至2 。5 m p a ，经 工艺天然气分离器分离油水后进入一段炉，经天然气预热器预热至3 5 0 左 右，进入铁锰脱硫槽除去有机硫及剩余的无机硫，使天然气总硫降至 o 5 m g n m 3 以下。脱硫合格的天然气与蒸汽混合预热至5 0 0 左右进入一段转 化炉进行甲烷蒸汽转化反应，出口甲烷降至1 0 以下，再进入二段自然式转 化炉，进一步进行甲烷蒸汽转化反应，使出口甲烷降至0 1 3 以下。二段转化 炉出口气体经转化废锅降温至3 5 0 ，进入中温变换炉，转化气中的c o 和 h 2 0 在3 5 0 4 5 0 。c 的温度条件和铁催化剂作用下，反应生成c 0 2 和h 2 ，使c o 含量降至3 5 以下，再经中变换热器换热降温至1 8 0 2 0 0 后进入低温变化 炉，在1 8 0 2 0 0 的温度条件和铜催化剂作用下，进一步进行c o 的变换反 应，使低变出口气中c o 0 3 5 。 低变气经低变淬冷器增湿降温至1 7 0 左右进入低变气再沸器，热量传给 再生的碱液，自身温度降至1 2 5 左右，经低变再沸器分离器分离水份后进入 二氧化碳吸收塔。 低变气由吸收塔底部入塔，与塔顶下来的热碳酸钾溶液逆流接触吸收 c 0 2 ，经二段吸收，碳酸钾变为碳酸氢钾，由吸收塔顶出来的气体c 0 2 含量 o 2 即碱洗气，吸收了c 0 2 的碱液在塔底进入再生塔进行c 0 2 解吸反应再进 入c 0 2 吸收塔进行吸收反应。 从吸收塔塔顶出来的碱洗气经分离、换热后进入甲烷化炉，在3 0 0 4 0 0 。c 温度条件下，并在镍催化剂作用下，将c o 和c 0 2 转变为甲烷，得到 四川大学r 程硕士学位论文 c o 和c 0 2 总含量小于等于1 0 p p m 、c l - h 和m 在o 9 6 以下、h z n 2 = 3 ( 生产 过程中h 2 小2 = 2 8 3 5 为控制值) 的原料气。原料气经过原料气水冷器降温至 4 0 4 5 。c 后进入原料气氨冷器，原料气氨冷器将原料气进一步降温后送至高压 机将氮氢气加压至2 5 3 0 m p a 后送入合成系统产氨【l l ，未参加反应的气体经 循环机加压后又回合成系统反应，部分气体经普里森膜回收氢再返回合成系统 继续产氨。 图1 1氨冷器在合成氨生产中所处工艺流程 1 1 2 原料气氨冷器在生产中的作用 原料气氨冷器的作用是将经转化、中、低温变换、脱碳、甲烷化等工序后 得到的原料气进一步降温，使之达到氢氮气压缩机的设计入口温度范围，提高 压缩机的输气能力；同时又将气体中的气态水冷凝为液态，便于从气体中分 离出来，保护了压缩机，降低高压机的入口压力，满足生产需要，保证氮氢气 压缩机的正常运行，为合成氨合成系统在满负荷下运行创造可靠条件。特别是 在夏天氨冷器作用尤为突出，氨氢气压缩机气体入口温度超过4 0 生产能力 将受到限制，有了氨冷器便无此忧虑了。 ， 一旦原料气氨冷器发生破坏、失效停用后，合成氨的生产能力就要下降， 氮氢气入口温度将超标，氮氢气压缩机的运行可靠性将受到威胁，甚至破坏， 为此转化岗位必须减少负荷的投入即降负荷生产。可见原料气氨冷器是合成氨 正常运行及系统生产达设计负荷中不可缺少的重要降温设备。 四川大学工程硕士学位论文 1 1 3 原料气氨冷器工况 原料气氨冷器的工作条件2 1 见下表 表1 1原料气氨冷器工况 项目 壳程管程 条件名称 设计压力m p a1 116 6 操作压力m p a0 1 o 6l - 3 5 l5 2 设计温度1 95 0 进口 一1 9 3 04 0 4 5 工作温度 出口，1 0 3 51 5 3 5 物料名称n h 3 ( 气态)h 2n 2c h 4 物料特性中度危害易燃 1 2 原料气氨冷器的结构型式、规格、简图及主要材质 121 原料气氨冷器的结构型式及规格 原料气氨冷器为固定管板卧式换热器，管程甲烷化气出口端为两程，换热 管与管板连接方式为贴胀加强度焊，焊接方式采用氩弧焊。其尺寸规格为a 7 0 0 4 1 0 5 1 0 ，属二类压力容器。 1 2 2 原料气氨冷器的结构简图。 叫川大学工程硕士学位论文 耍爹ir 21 一 平跫= f 1 ll ：一。ii _ _ r ii l ie i封ij i 彳i 一霹il：iik ”i。u 。iis = j 翟耋 l川 一一 幸 il“l=衅 。 卜”： 图1 2 原料气氯冷器结构示意图：( 图中下图为2 0 0 1 年结构图) 注：接管i i ：a ：气氨( n h 3 ) 入口b ：n 2 h 2 入口c ：n 2 h 2 出口d ：气氨( n h 3 ) 出1 7 4 四川大学工程硕l 学位论文 1 2 3 原糕气氨冷器主体材质 该设备原设计在8 9 年系统投用时设备壳程材质为q 2 3 5 a ，材质标准为 g b 9 1 2 8 9 ：管程为2 0 钢，材质标准为g b 8 1 6 3 8 7 输送流体用无缝管。 2 0 0 0 年更换时，设备材质按原设计。 2 0 0 1 年更换时设备壳程材质为q 2 3 5 a ，管程为0 c r l 8 n i 9 ，管材标准为 g b l 3 2 9 6 9 1 锅炉热交换器用不锈钢无缝钢管。 2 0 0 2 年更换时设备壳程材质为1 6 m n r ，管程材质为2 0 9 ，标准为 g b 9 9 4 8 ，8 8 石油用无缝钢管，设备壳体加一不锈钢膨胀短节。 2 0 0 3 年壳体用q 2 3 5 a ，管程用2 0 , 材质满足g b 9 9 4 8 8 8 石油用无缝钢 管标准要求【”。 1 3 主要研究内容和方法 本文针对鸿化公司合成氨厂原料气氨冷器的失效进行分析和寻求防护措 施。 ( 1 ) 本文主要研究以下内容： 1 ) 原料气氨冷器失效列管的分析测试 2 ) 原料气氨冷器失效可能原因分析 3 ) 原料气氨冷器工艺介质含水量的计算 4 ) 原料气氨冷器防失效设计 5 ) 原料气氨冷器防失效设计方案运行效果分析 ( 2 ) 本文主要应用的研究方法：分析法、试验法、计算法、排除法和设 计法。 四门人学二r _ 程硕t 学位论文 第二章原料气氨冷器失效列管的测试分析 根据第一章的概述，经对1 9 9 6 、2 0 0 0 、2 0 0 2 原料气氨冷器失效后设备本 体的检查，设备外观无变化，换热管有胀粗及破裂现象。我们对更换下来的氨 冷器换热管做了宏观检查、化学成分分析、力学性能试验、晶间腐蚀试验、金 相分析等检验。检验情况如下： 2 1列管历次破坏现象 原料气氨冷器自8 9 年系统投运至1 9 9 9 年，由于系统设计负荷为5 0 k t a ， 生产一直处于低负荷状态运行，设备运行效果良好，未出现失效现象，但随着 系统负荷达设计负荷，及2 0 0 0 年、2 0 0 1 年对系统进行挖潜改造，谋求发展， 运用并联式换热炉转化新工艺、新技术，使系统装置能力达9 0 k t 9 7 后，原料气 氨冷器是年年更换，而且不断提高氨冷器的设计条件，提高用材的品质，也不 能解决此问题，且氨冷器每次破坏均表现为换热管泄漏，经检查每次破坏均为 换热管产生轴向破裂，并伴随胀粗现象，且破裂处壁厚减薄。每次列管破裂均 是以管板最下排管逐渐向左向右并向上排分布，如图2 i 所示。 图2 - 1列管破裂位置分布示意图 该系统的氨冷器自较高负荷运行以来出现换热管泄漏时每次都采取堵管凑 合继续使用，至完全不能使用时进行更抉；同时也在分析导致换热管失效的原 6 四川人学工程硕士学位论文 因，以便找到解决办法，但2 0 0 0 年5 大修时更换的一台氨冷器，投运后半年 又多次出现换热管泄漏而不得不再次更换。 2 2 失效列管照片图 2 0 0 0 年、2 0 0 2 年失效设备解体后对破裂列管照相，两根失效管和一根失 效管的宏观照片如图2 - 2 所示。 a ( 下面一根为完好的钢管) 图2 2 氨冷器失效管段宏观照片 b 2 3 失效列管的宏观检验 2 3 12 0 0 0 年对2 0 钢的检查 换热管规格为2 5 m m 的无缝管，对列管宏观检查，有如下结论： ( 1 ) 换热管内壁有水痕及点蚀痕迹，还存在拔管过程中产生的压痕。 ( 2 ) 换热管外表面光滑，未见折叠、扎折和麻坑等表面缺陷。 ( 3 ) 距气氨( n 玛) 进口中心1 5 m 左右处换热管出现轴向裂缝，裂缝长 度在5 0 1 5 0 m m 不等，裂缝宽度在0 ，1 4 m m ，裂纹沿裂源a 点两侧纵向有 规则的直线延伸，未见任何分裂纹。破裂换热管裂缝部位存在胀粗胀大现象， 鼓裂处有效周长为8 4 r a m ，未损管子有效周长为7 9 m m ，胀粗率为6 - 3 。并 伴随壁厚减薄现象，鼓裂处宏观有一些塑性变形；裂纹断面比较齐平、光亮。 按图2 - 3 所示试样测厚部位对试样列管的厚度用测厚仪测得数据如下表： 7 四川大学工程硕士学位论文 表2 - 12 0 钢试样厚度数据表( m ) 试样试样规格试样l 试样2试样3 2 0 0 0 0 2 5 x 2 51 41 72 4 8 金相=化学 a金相一硬度 失效管一 力性硬度全相三 失效管二 力性硬度金相四 未损管三 图2 - 3氨冷器2 0 钢换热管取样示意图 图2 3 中换热管取样长度为5 0 0 m m ，取样位置为氨冷器最下2 排和最上l 排的换热管。 经对测量结果分析，破裂列管厚度沿裂纹轴向及周向有减薄的现象。 2 3 2 2 0 0 2 年对o c r l 8 n i 9 的检查 换热管取样长度为2 7 0 r a m ，取样位置为氨冷器最下2 排和最上1 排的换热 管。 ( 1 ) 距冷端进口1 5 米左右换热管出现轴向裂缝，裂缝长度在 5 0 - 1 5 0 m m 不等，裂缝宽度在0 1 3 m m 不等。破裂换热管列缝部位存在胀粗 四川大学工程硕士学位论文 长大现象，并伴有壁厚减薄现象。管子外表面光滑，未见折叠、扎折和腐蚀等 表面缺陷。 ( 2 ) 可直接观察到钢管内表面呈细砂状且有水痕，越靠近裂口，现象越 明显，表明管内腐蚀严重。 ( 3 ) 为检测方便现将长度为2 7 0 m m 破裂换热管截为等长的九段，编号为 一九，在各个断口用千分尺测其外径及内径。测量数据列于表2 2 。 表2 2 管径测量数据 编号1234567891 0 测量点距0 03 06 09 01 2 01 5 0 1 8 02 1 02 4 02 7 0 端距离( c m ) 外径( m m ) 2 51 02 5 2 02 9 3 52 6 5 02 5 7 52 74 02 7 7 02 5 1 52 50 52 51 0 内径( m m l 2 1 1 02 1 2 52 5 5 52 2 4 02 18 52 3 8 52 4 3 02 1 3 52 1 2 52 1 1 0 壁厚( m m l 2 o o1 9 61 9 02 0 51 9 5 1 7 81 7 01 9 01 9 02 o o 分析测量数据可知，其内外径及壁厚呈有规律的变化，在内外径增大的同 时壁厚也减薄。后又测得裂口部位( 位于二段) 外径为2 9 4 0 m m ，内径2 5 6 5 ， 壁厚为1 9 m m ；另一处膨胀而未破裂处( 位于七段) ，外径2 8 0 5 ，内径 2 4 5 0 ，壁厚1 7 8 。宏观表现即为换热管上有两个膨胀部位，而裂口即位于其 中一处。为了直观的表现这特点，现用折线图绘制内外径变化曲线，见图 2 _ 4 。 3 0 2 8 目2 6 裂 删2 4 2 2 2 0 1234567891 0 测量点 图2 4内外径变化曲线 9 堕型查兰三塞堕主竺篁堡塞 由图2 2 可以看出换热管失效后形态与所测数据相吻合。 2 4 失效换热管的材质化学成份分析 根据图2 - 3 对失效2 0 钢和0 c r l 8 n i 9 管取样，按现行国家标准进行化学成 份分析。 2 4 1 材质化学成份分析的相关理论“3 2 4 1 1 材质化学成份分析的概念 材质化学成份分析包括成品分析和熔炼分析。 成品分析是指在经过加工的成品钢材( 包括钢坯) 上采取试样，然后对其 化学成份进行分析。 本文进行的分析是成品分析。 2 4 1 2 材质化学成份分析的取样原则和方法 用于钢的化学成分熔炼分析和成品分析的试样，必须在钢液或钢材具有代 表性的部位采取。试样应均匀一致，能充分代表每一熔炼号( 或每一罐) 或每 批钢材的化学成分，并应具有足够的数量，以满足全部分析要求。 用钻头采取试样样屑时，对熔炼分析或小断面钢材成品分析，钻头直径 应尽可能的大，至少不应小于6 m m ；对大断面钢材成品分析，钻头直径不应 小于1 2 r a m 。供仪器分析用的试样样块，使用前应根据分析仪器的要求，适当 的予以磨平或抛光。 化学分析用试样样眉，可以钻取、刨取【6 1 ，或用某些工具机制取，样屑应 粉碎并混和均匀。制取样屑时不能用水、油或其他润滑剂，并应去除表面氧化 铁皮和脏物。成品钢材还应除去脱碳层、涂碳层、涂层、镀层金属或其他外来 物质。 本文成品分析用的试样样屑，围绕钢管外表在几个位置钻通管壁钻取。 2 4 2 对失效换热管取样分析 针对历次破坏设备换热管按2 4 1 2 描述的方法均取如下三试样管按进行 分 四川大学工程硕l j 学位论文 析，试管的取样方法为一件未损管，一件严重失效管，件轻度失效管。取样 位置如图2 3 ，对试样化学成分分析结果结果见表2 3 。 表2 3 氨冷器换热管化学成份 ( w t ) 峨份名耪 试样 cs im npsc rn ；材质 2 0 0 00 2 20 1 9o 4 80 0 2oo l 2 0 2 0 0 2o 0 50 51 0 4o0 3 20 0 0 41 8 0 59 10 c r l 8 n i 9 o 1 7 01 7 03 5 2 0g b 9 9 4 8 8 80 0 3 50 0 3 5 o 2 403 70 6 5 g b l 3 2 9 6 9 lo1 20 81 ，0 200 0 3 50 0 31 7 1 98 1 l0 c r l 8 n i 9 由表2 3 可知2 0 0 0 年、2 0 0 2 试件的化学成份均符合相应标准对其材质 ( 2 0 钢、0 c r l 8 n i 9 ) 的要求。 2 5 失效换热管的材质力学性能试验 本文根据图2 3 对2 0 钢取样制作试样并按g b 2 2 8 8 7 进行失效换热管的材 质力学性能试验。 2 5 1 金属力学性能试验的基本理论和方法。1 2 5 1 1 金属力学性能试验的原理 试验系用拉伸力将试样拉伸，一般拉至断裂以便测定力学性能。 2 5 1 2 金属力学性能试验的相关定义 平行长度( l 。) ：试样两头部或两夹持部分( 不带头试样) 之间的平行长 度。 试样标距：拉伸试验过程中用以测量试样伸长的两标记间的长度。 原始标距( l o ) ：试验前的标距。 断后标距( l 。) ：试样拉断后，断裂部分在断裂处对接在一起，使其轴线 位于同一直线上时的标距。 q 川大学工程硕士学位论文 引伸计标距( l 。) ：用引伸计测量试样伸长所使用试样部分的长度( 此长 度可以不等于l o 但应大于b o 、d o 或d o ，小于平行长度l 。) 。 应力：试验过程中的力除以试样原始横截面积的商。 规定非比例伸长应力( 6 。) ：试样标距部分的非比例伸长达到规定的原始 标距百分比时的应力。表示此应力的符号应附以角注说明，例如d 。00l 、 o p o0 5 、o p 02 等分别表示规定非比例伸长率为o 0 1 、o 0 5 和0 2 时的应 力。 规定总伸长应力( 吼) ：试样标距部分的总伸长( 弹性伸长加塑性伸长) 达到规定的原始标距百分比时的应力。表示此应力的符号应附以角注说明，例 如，1 3 【05 表示规定总伸长率为o 5 时的应力。 规定残余伸长应力( o ，) ：试样卸除拉伸力后，其标距部分的残余伸长达 到规定的原始标距百分比是的应力。表示此应力的符号应附以角注说明，例 如，o r o2 表示规定残余伸长率为o 2 时的应力。 屈服点( g 。) ：呈现屈服现象的金属材料，试样在试验过程中力不增加 ( 保持恒定) 仍能继续仲长时的应力。如力发生下降，应区分上下屈服点。 上屈服点( a 。) ：试样发生屈服而力首次下降前的最大应力。 下屈服点( a 。l ) ：当不讨一初始瞬时效应时屈服阶段中的最小应力。 抗拉强度( a b ) ：试样拉断过程中最大力所对应的应力。 屈服点伸长率( 6 。) ：试样从屈服开始至屈服阶段结束( 加工硬化开 始) 之间标距的伸长与原始标距的百分比。 最大力下的伸长率：试样拉到最大力时标距的伸长与原始标距的百分比。 应区分最大力下的总伸长率( 6 昏) 和比例伸长率( 6 。) 。 断后伸长率( 6 ) ：试样拉断后，标距的伸长与原始标距的百分比。 断面收缩率( ( p ) ：试样拉断后，缩颈处横截面积的最大缩减量与原始横 截面积的百分l t t 。 注：1n m m 2 = 1 m p a 2 5 1 3 金属力学性能试验试样 金属力学性能试验试样的选取和试样尺寸的测量按g b 6 3 9 7 8 6 金属拉伸 试验试样执行。 1 2 四川大学工程硕士学位论文 试样质量的测量精确度应达- - 4 - - - 0 5 ，密度应由有关标准提供，至少取3 位有效数字。试样总长度的测量精确度应达o 5 。 如有关标准或协议允许，也可采用重量法测定周期截面不经机加工试样的原始 横截面积，或者采用理论计算原始横截面积。 如有关标准和协议允许，也可采用标称尺寸计算园线材的原始横截面积。 试样原始横截面积的计算值修约到三位有效数字，修约的方法按g b l 1 8 l 标准化工作导则编写标准的一般规定，附录c “数字修约规则”执行。 试样原始标距的标记和测量可以用两个或一系列等分小冲点或细划线标出 原始标距，标记不应影响试样断裂，对于脆性试样和小尺寸试样，建议用快干 墨水或带色涂料标出原始标距。如平行长度比原始标距长许多( 例如不经机加 工试样) ，可以标出相互重叠的几组原始标距。 比例试样原始标距的计算值，对于短比例试样应修约到最接近5 m m 的倍 数，对于长比例试样应修约到最接近1 0 m m 的倍数。如为中阳j 数值向较大一方 修约。 原始标距应精确到标称标距的o 5 。 测量试样尺寸的量具应由计量部门定期检定。 2 5 1 4 金属力学性能试验用试验设备 金属力学性能试验用试验设备有试验机和因伸计。 试验机误差应符合j j g l 3 9 8 3 拉力、压力和万能材料试验机检定规程 或j j g l 5 7 8 3 小负荷材料试验机检定规程的一级试验机要求且各种类型验 机均可使用。 试验机应备有调速指示装置，试验时能在本标准规定的速度范围内灵活调 节。 试验机应具有记录和显示装置，能满足本标准测定力学性能的要求。 试验机应有计量部门定期进行检定，试验时所使用力的范围应在检定范围 内。 引伸计( 包括记录器和指示器) 应进行标定，标定时引伸计的工作状态应 尽可能与试验时的工作状态相同。引伸计的标定和分级方法应合规定 四川大学工程硕士学位论文 经过标定的引伸计，在日常试验前应注意检查，当引伸计经过检修或发现 异常，应按进行规定标定。 本文采用试验机试验金属力学性能。 2 5 1 5 试验条件 试验速度：应根据材料性质和试验目的确定。除有关标准和协议另作规定 外，拉伸速度应符合下述要求： 测定规定非比例伸长应力、规定采用伸长应力和规定总伸长应力时，弹性 范围内的应力速率应符合表5 规定，并保持试验机控制器固定于这一速率位置 上，直至该性能测出为止。 金属材料的弹性模量 应力速率，n m m 2 s 。l n n l m 2 晟大最小 1 5 0 0 0 033 0 测定屈服点和上屈服点时，屈服前的应力速率按规定，并保持试验机控制 器固定于这一速率位置上，直至该性能测出为止。 测定下屈服点时，平行长度内的应变速率应在o 0 0 0 2 5 0 0 0 2 5 s 之问， 并应尽可能保持恒定。如不能直接控制这一速率，则应通过调节在屈服开始前 的应力速率将其固定，直至屈服阶段过后。但弹性范围内的应力速率不得超过 规定所允许的最大速率。 当同一试验要求测定上、下屈服点时，则应符合0 l 的规定。 屈服过后或只需测定抗拉强度时，试验机两夹头在力作用下的分离速率应 不超过0 5 l j m i n 。 试验应在室温( 1 0 3 5 ) 下进行。 2 5 1 6 夹持方法 可以采用锲型、带螺纹、套环、销钉夹头等。试验机或夹持装置应能允许 试样在拉伸方向自由定位和轴向施力。对于锲型夹头，试样头部被夹持的长 1 4 四j i i 大学t 程硕士