乙二醛换热器换热管断裂原因分析_图文

1、安全分析乙二醛换热器换热管断裂原因分析王琼琦,王正东,涂善东(华东理工大学承压系统安全科学教育部重点实验室,上海200237摘要:对某硫酸厂乙二醛换热器换热管断裂原因进行了分析,表明换热管的失效是热应力导致的热疲劳破坏,氯离子引起的应力腐蚀加速了换热管的开裂泄漏;气体分布器结构不合理是导致热应力的主要原因,而频繁的开停车加速了换热管的低周疲劳开裂。建议改进结构,保障膨胀节能够起到协调变形,降低热应力的作用。关键词:换热管;热疲劳;应力腐蚀中图分类号:TQ051.5文献标识码:A文章编号:1001-4837(200903-0049-05do:i10.3969/.j issn.1001-4837.

2、2009.03.010Fracture Analysis of Tubes of G lyoxal H eat ExchangerWANG Q iong-q,i W ANG Zheng-dong,TU Shan-tung(Key Lab o fSafety Science of Pressurized Syste m,MOE,E astCh i n a University of Science and Techno l o-gy,Shanghai200237,ChinaAbst ract:Fa ilure analysis has been carried out for the fract

3、ure o f t u bes of g lyoxal heat exchanger i n an su lfuric acid plan.t The resu lts reveal t h at lar ge ther m al stress leaded to ther m al fatigue attributed to un-reasonab le structure o f stea m distributor because of frequent startups and shutdo wns,and stress corrosion cracking by ch l o rid

4、e i o n accelerated crack gro w th.It is suggested t h at stea m distributor shou l d be m od-i fied to ensuring the ro le of expansion jo i n.tK ey w ords:heat exchanger tube;ther m al fati g ue;stress corrosi o n cracking1概述某硫酸厂年生产能力3万吨的乙二醛换热器,为国内自行设计,是目前世界上最大的乙二醛换热器,其直径达3500mm。换热管材质为304奥氏体不锈钢。该换热

5、器的工艺参数为,乙二醇和氧气预热至236e,通过触媒进行氧化放热反应转化为乙二醛后,温度升高至550e左右,进入乙二醛换热器换热管,出口温度为260e。冷却介质为蒸汽,进口温度130e,出口温度366e。为提高换热效率,在换热器内加入气体分布器,通过分布器可使冷却介质从换热器底部四周进入换热器。由于沿换热管轴向存在非常大的温差,换热器壳体采用带膨胀节的结构,以避免因温差导致的破坏。从换热器冷却出来的乙二醛温度仍然不能满足后续工艺的要求,为此在换热器出口位置增加喷淋装置,进一步冷却乙二醛介质。该设备自2006年10月投入运行后,不到2年的时间出现换热管泄漏堵塞,期间经历过反复的开停车。8月初及后

6、来的停车检查发现出现泄露的换热管多达100根以上,失效的换热管紧靠换热器的#49#内壁,断裂的位置全部处于接近下管板100mm 左右的位置,裂纹呈周向分布。该换热器换热管大面积开裂泄漏严重影响生产的正常进行,并导致产品质量下降。为此,急需了解换热器泄漏的根本原因,为换热器的整体改造提供可靠的依据。2 失效分析2.1 宏观检查两根失效换热管的开裂位置见图1。图1中上面的一根(A 管除了沿周向的主裂纹外,在主裂纹的左侧分布着少量平行的周向裂纹和与轴向呈45b 的不连续裂纹,其他部分完好无损。图1中下面的一根(B 管主断口与轴向呈45b ,在主断口的左侧除一条穿透的裂纹外,还分布着大量的表面裂纹,呈

7、网状分布。B 管的网状裂纹分布在主断口左侧大约40c m 的范围,见图2 。2.2 化学成分与力学性能在远离失效的位置取样进行化学成分分析和常规拉伸试验,拉伸试样为标准管材试样。测试结果见表1,2。化学成分和力学性能皆符合304不锈钢的技术要求。表1 换热管化学成分EDS 分析结果(W t %元素C S i M nCrN iF e 实测值0.501.8219.228.3670.11技术要求0.081.002.001719811Balance表2 换热管的拉伸性能结果试样抗拉强度(M P a屈服强度(M Pa延伸率D 5(%断面收缩率W (%1591.39256.1680.0056.132567

8、.94219.0776.0058.382.3 金相组织2.3.1 基体组织轴向和周向的金相组织见图3。从金相组织上看,组织为热轧退火的奥氏体不锈钢组织,周向晶粒较轴向的晶粒为细。金相组织存在一定的退火孪晶,为正常的组织。2.3.2 裂纹金相对于A 管的周向裂纹和B 管表面的网状裂纹区域轴向和周向取样的裂纹金相分别见图4,5。图4的裂纹形态具有典型的热疲劳特征,裂纹扩展模式为混晶。图5(a的周向裂纹形态起裂位置和扩展初期也具有典型的热疲劳特征,裂纹的扩展和裂#50#CPVT 乙二醛换热器换热管断裂原因分析 V o l 261N o32009尖具有典型的应力腐蚀开裂形貌。大部分轴向裂纹形态也具有上

9、述特征,也有少量的裂纹见图5(b,为典型的应力腐蚀开裂形貌,呈枯树枝状,裂纹内存在一定的腐蚀产物。另外,裂纹附近的金相组织也显示为热疲劳的特征1。2.4断口分析将图1中A管的穿透性裂纹取样进行断口形貌分析,裂纹起裂位置和扩展区的形貌特征见图6 9。从图6可以看出,裂纹起裂于外表面的缺陷处,具有多源性,表面高低不平,局部呈脆性。图7为裂纹扩展的形貌,从中可找到疲劳辉纹,为准解理断 口。#51#第26卷第3期压力容器总第196期 图9 挤压、擦伤痕迹图8显示出与疲劳辉纹相垂直的脊骨状滑移台阶以及二次裂纹。图9显示断口经过表面反复挤压和擦伤。根据疲劳辉纹的宽度及其断口上呈现的特征,可以确定失效的换热

10、管为低周疲劳失效2。2.5 腐蚀产物分析对A 管主断口的EDS 分析结果表明,断口并不存在引起应力腐蚀的腐蚀性介质C ,l S 等元素,主要是C 和O,这进一步说明,A 管主断口为疲劳引起的断裂,即使存在应力腐蚀,其作用也是次要的。对B 管主断口的EDS 分析结果见图10。从图中可以看出,断口表面的腐蚀产物除含有基体成分外,还有C ,l S 和O 等元素,结合金相裂纹形态可以确定换热管失效确实与氯离子引起的应力腐蚀有 关。图10 B 管主断口腐蚀产物EDS 分析3 讨论通过对失效的换热管化学成分、力学性能、金相组织、裂纹宏观和微观形态、断口形貌和断口能谱分析,表明热疲劳和氯离子导致的应力腐蚀共

11、同作用下是换热管泄漏失效的主要原因。下面就交变热应力的来源、热疲劳和应力腐蚀在换热管失效过程的角色进行分析。3.1 交变热应力的来源本失效案例中,换热器的管程和壳程设计压力只有0.06MPa ,可以忽略工作压力引起的应力。而换热管开裂泄漏的原因之一是热疲劳。热疲劳失效需要交变的热应力存在,并且为什么出现泄露的管子只是靠近换热器壳体的外圈部分,从以下方面分析。(1冷却介质分布器的设计冷却介质分布器是为了提高换热效果自行设计的,这种设计方法的出发点没有问题。但这样的结构不可避免地引进了热应力问题。在正常工作条件下,换热器外圈的管子中下部位的温度比中间部位的管子低。在假定膨胀节起作用的条件下,膨胀节

12、只能协调所有换热管均匀膨胀引起的变形,而对中间管子和外圈管子存在的温差产生的变形无能为力,最终协调变形的结果是外圈管子整体受到较大的拉伸应力,而中间管子受到一定的压缩应力,这就是热应力的来源,对于外圈管子无论是开工还是停车都会产生很大的交变拉伸应力,另外冷却介质流量、流速的变化都是热应力产生的来源。高的拉伸平均应力和交变应力的存在导致了换热管过早失效。(2喷淋装置设计经过换热器冷却的乙二醛介质还需要进一步冷却才能达到工艺的需要,因此增设了喷淋装置,由于上述冷却介质分布器的结构导致从外圈管子出来的介质较冷,而中间管子出来的介质温度较高,喷淋装置和换热管的结构正好在外圈形成死角,加上喷淋水的温度较

13、低,喷淋水的汽化和飞溅等因素使得在外圈换热管下部经受较大的交变热应力而且容易产生结焦现象,这也可以从现场换热器结焦情况得到验证(见图11 。图11 外圈换热管存在结焦现象#52#CPVT 乙二醛换热器换热管断裂原因分析 V o l 261N o32009(3操作历程结构设计的不合理使得频繁的开停车成为最大交变热应力的来源,由于换热器换热管在轴向存在超过300b(外圈管子的温度梯度,开停车导致的急冷和急热使得外圈管子承受非常大的热应力,最终导致低周疲劳失效。根据操作记录,在失效之前大约经历了近200余次的开停车。因此,频繁的开停车是导致换热管热疲劳失效的重要原因之一。3.2低周疲劳的特征热或其他

14、应力引起的低周疲劳常出现在燃气轮机轮盘和涡轮叶片、汽轮机的某些高温部件,压力容器以及带有各种内外因角、缺口、键槽等。但对低周疲劳的研究还不是很充分,但热应力引起的低周疲劳除具有热疲劳的特征外,也具备一般低周疲劳的断口特征。一般的低周疲劳在不同疲劳寿命下断口呈现出准解理、涟波花样、平坦面、擦伤痕迹、轮胎花样、脊骨状花样、疲劳辉纹等不同的特征3。鱼骨状花样是低周疲劳和应力腐蚀特征,但两者有明显的差别,应力腐蚀开裂断口的鱼骨状花样多数发生在体心立方金属材料(如碳钢和马氏体不锈钢中,其中间脊线是由100100解理造成的,两侧是100110和120110解理所引起的花样。而低周疲劳断口的鱼骨状花样不像应

15、力腐蚀断口的鱼骨状花样那样平直,呈放射状,断口表面非常平坦,这是由于低周疲劳断口的鱼骨状花样是在疲劳纹形成后,裂纹面两侧有规则地反复张合相对面上的棱角或硬的夹杂物使断面擦伤形成的塑性台阶。脊骨花样是低周疲劳加载下断裂的主要微观特征标志。结合断口的其它特征,可以说明脊骨花样是低周疲劳引起的,而不是应力腐蚀导致的。3.3应力腐蚀在换热管失效过程的角色换热管的部分裂纹金相呈典型应力腐蚀形貌,这种形貌在热疲劳失效的裂纹形貌是不存在,断口能谱分析的结果也表明存在引起应力腐蚀的腐蚀性氯离子,加上热应力和合适的温度,说明氯离子引起的应力腐蚀是客观存在的。关键问题是在本案例中,应力腐蚀是否是导致失效的关键因素

16、。这需要从以下两个方面分析:(1裂纹的宏观特征和主断口特征前面的分析表明A管主断口上并没有发现氯离子的存在,而且整个断口的主要特征是热疲劳。由于主断口是最先萌生裂纹的位置,在主断口附近,热疲劳的平行微裂纹非常清晰,而且部分裂纹的起裂位置的特征是热疲劳,扩展一定深度后才呈现出应力腐蚀形貌。因此可以判断在外表面的缺陷处,交变的热应力引发疲劳裂纹后,蒸汽介质中少量的氯离子进入裂纹尖端,引发了应力腐蚀,加速了换热管的失效。不可否认的是,确实存在单独因氯离子导致的应力腐蚀裂纹,但由于这些裂纹并没有穿透,但也是较高的热应力引起的。(2环境因素根据企业提供的检测信息,乙二醛介质不含氯离子,而蒸汽介质中氯离子

17、的含量低于1ppm,这说明在应力不高的情况下,产生应力腐蚀的可能性较小(尽管温度适宜,其他未改造的换热器使用了多年也没有出现类似的问题。因此可以说明较高的热应力的存在是单独因氯离子导致的应力腐蚀裂纹的根本原因,而较高热应力往往是交变的。因此,应力腐蚀裂纹的出现并不是换热管失效的根本原因,但热疲劳和应力腐蚀裂纹应力腐蚀的交互作用加速了换热管的失效。4结语换热管的失效是热应力导致的热疲劳破坏,氯离子引起的应力腐蚀加速了换热管的开裂泄漏;气体分布器结构不合理是导致热应力的主要原因,而频繁的开停车加速了换热管的低周疲劳开裂。建议改进结构,保障膨胀节能够起到协调变形,降低热应力的作用。参考文献:1平修二日.热就力与热疲劳M.北京:国防工业出版社,1984.2Duy i Y e,Saburo M atsuoka,N oburo N agashi m a,N aoyuk isuzuk.i T he L o w-cy ce l F ati gue,D efor m ati on and F i na lF racture Behav i our o f a