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化工  压力容器网消息：        U型管换热器的其泄漏分析及解决措施
                               张亚林1，王冬文1，闵泽鹏2
    （1.湖南中兴设备安装工程有限责任公司，株洲 412003；2.湖南省工业设备安装公司，株洲 412000）
    摘要：U型管换热器制造过程中，出现U型管煨弯变扁、变薄、开裂，管板与U型管胀接不牢固等质量问题。通过控制煨弯力度和采取防变形措施，控制U型管变扁和顶面裂纹；在U型管的顶面管壁贴焊加强块时，防止U型管的顶面管壁减薄；改变胀接工艺，解决U型管胀接不牢固现象。这些措施在生产应用中取得了满意的效果。
    关键词：换热器；泄漏；分析；解决措施
    中图分类号:TK172.4   文献标识码:B        文章编号:1002-3607（2008）06-0021-02
    前言
    某氧化塔中有42组U形管换热设备，规格为Φ4400mm×14～18mm×48154mm，管程规格Φ25mm×2.5mm，长度3000mm，管程总数为（48×2）根（2个流程），壳体和换热管材料采用0Cr18Ni10Ti奥氏体不锈钢，管板材料为16Mn锻件。在U形管换热器设备制造过程中，U型管煨弯变扁，管子弯曲部位出现变薄、裂纹情况，管板与U管束胀接不牢固，造成U管束泄漏等质量问题。
    1 U型管变扁情况检验、原因分析及解决措施
    1.1 检验
    U型管煨弯后，外观检查发现：弯曲半径较小的U型管出现管子截面变扁、甚至在个别管子弯曲位置发生裂纹现象。
    1.2 原因分析
    从工艺角度分析可知，管子弯曲时，中性层外侧的管壁受拉而减薄，内侧管壁受压而增厚。同时，对弯曲半径较小的U型管，未采取相应措施，管子弯曲处的横截面发生变形而成为近似椭圆形状，内侧管壁压应力超过了材料的屈服强度，造成U型管变扁、失稳起皱。
    1.3 解决措施
    1.3.1 对U型管弯曲半径小于2.5倍公称通径的管子，为防止管子产生变扁现象，煨弯前，应对管子充填经过筛分、洗净、烘干，不含有泥土、铁渣、其它杂质及砂子。
    1.3.2 采用加装扭力扳手的手动弯管机，根据管子屈服强度和弯曲半径，通过试验掌握弯曲力度。弯管时，定胎轮（大轮子）用销子或螺栓固定在工作台上。考虑到管子弯制后的回弹量，大轮的半径取弯管弯曲半径的0.8～0.95倍。动胎轮（小轮子）的半径以U型管最小弯曲半径为准进行选择，保证小轮在推架中转动自如，防止其卡死，造成管子变扁。
    1.3.3 U型管煨弯时，由于管子的管壁较薄，在弯曲部位用氧气-乙炔火焰进行局部加热，减少管子变扁量。加热时，切记温度不能过高，以免造成不锈钢金相组织发生变化。
    1.3.4 由于弯管外力释放后，弯头会回弹3～5°角。在正式弯管前宜进行试弯，找出管子准确的回弹角度，煨制出合乎要求的U型管。
    1.3.5 管子弯制后应做通球试验，一般取球的直径为管子内径的0.75倍，具体以设计为准。U形管弯管段的圆度偏差，应不大于换热管名义外径的10%，对弯曲半径小于2.5倍名义外径的U形弯管段，可按照15%进行控制。
    2 U型管弯曲部位变薄、裂纹情况检验、原因分析及解决措施
    2.1 检验
    对第1组U型管的弯曲部位进行外观检验、试压时，发现管子弯曲部位出现裂纹。
     2.2 原因分析
     2.2.1 U型部位贴焊加强块时，由于操作不当，弯管材料在焊接过程中受到影响，使焊接热影响区域材料抗应力腐蚀能力降低，在加强块纵向边缘造成应力腐蚀开裂。
     2.2.2 从其它设备U型管开裂情况原因分析，小弯曲半径的U型管的顶面管壁减薄后，在运行中抗应力腐蚀能力降低，从而产生应力腐蚀开裂。
     2.2.3 0Cr18Nil0Ti钢为含钛的奥氏体不锈钢，经稳定化处理后，具有较好的抗敏化和耐应力腐蚀性能。在焊接过程中，管口温度远高于稳定化热处理温度，这就不可避免的造成了管口材料敏化。换热管与加强块贴焊施焊后也未进行消除应力热处理，因而存在较高的混晶扩展形态裂纹。
     2.3 解决措施
     2.3.1 当U型管弯曲半径最小处的壁厚减薄量大于管壁厚的10%时，应采用加大管子壁厚或加强块贴焊方式处理（一般采用贴焊加强块）。
     2.3.2 对U型管加强块贴焊，其焊接电流比普通焊接的电流宜小15%左右，采用对称焊接，以降低热影响区域的敏化程度。
     2.3.3 对U型管弯管的工作环境和加工过程进行分析，验证其加工工艺是否合适。
     2.3.4 采用尺寸和结构形式更合适的加强块，可减少焊接热影响区的应力集中。
     2.3.5 管子与加强块贴焊后，应进行消除应力处理，以降低焊接残余应力。
     3 U型管与管板连接处泄漏情况检验、原因分析及解决措施
     3.1 检验
     对第1组U型管胀接完后，进行水压试验时，发现在胀接接头处出现漏水现象。
     3.2 原因分析
     3.2.1 管板与换热管之间没有足够的硬度差，按照有关规定，管板在强度胀接连接时，管板硬度应比换热管的硬度高出HB30。经检验，管板（16Mn锻件）在正火状态下的实际硬度只有HB148～158，而0Cr18Ni10Ti换热管在标准交货状态（固溶处理后）的硬度为HB150～167，也就是说，换热管的硬度比管板的硬度还高，管子胀接发生塑性变形的同时，管板也发生了变形，在这种情况下，必然难以保证胀接质量。
       3.2.2 换热器U型管外径与管板管孔内径的间隙设计为1mm，而实际上有些超过了1.5mm。要使管子与管板胀接牢固，管子必须有较大的变形量，且由于管壁较薄，过大的胀接变形，极易造成管子裂纹。
       3.2.3 个别管板孔内表面存在毛刺、锈斑、铁屑、油污等情况。
       3.2.4 管板孔内凹槽深度、宽度不一致，且个别有竖向划痕。
       3.3 解决措施
       3.3.1 提高管板硬度。JB4726-94中，16Mn锻件在正火状态下的硬度为HB121～178，由厂家或在现场采取相应措施，可使锻件在正火状态的硬度达到或接近上限，奥氏体不锈钢的硬度控制在HB150以下，提高胀接的可靠度。
       3.3.2 对存在毛刺、锈斑的管孔进行抛光处理。
       3.3.3 管板孔内凹槽深度、宽度不一致的部位，采用凹槽加工刀具加工，并清除划痕。
       3.3.4 根据U型管外径与板孔内径的间隙计算胀接率，取胀接率不小于1.9%。对于间隙超标的，在管板孔内涂抹环氧树脂，达到一定附着力后穿管，进行胀接。
       3.3.5 采用电动胀管器胀接，减少人工胀接造成U型管欠胀、过胀的现象。
       采取以上改进措施后胀接的U型管，经水压试验，胀接接头处无渗漏现象。
       4 结语
       对于U型管换热器设备，根据管子屈服强度，掌握其弯曲力度，采用加装扭力扳手的煨弯设备，控制U型管变扁。在U型管的顶面管壁贴焊加强块，采取合理的焊接工艺，降低敏化程度，进行消除应力处理，降低焊接残余应力，防止U型管的顶面管壁减薄和顶面裂纹，提高管板硬度，降低奥氏体不锈钢硬度，改变管板孔加工工艺，控制好U型管与管板胀接率，保证U型管与管板胀接的严密性。
     参考文献：
    [1] GB151-1999 《管壳式换热器》.
    [2] 何录武《高压换热器U型管管口开裂分析》《理化检验-物理分册》2006，42:369-371.
    [3] 何家胜《U型管开裂失效分析》《压力容器》2007.5.

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