余熱回收器換熱管與管板連接處泄漏失效分析

(南京工業(yè)大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，南京 211816)

0 引言

1 設(shè)備及失效概況

泄漏的余熱回收器的管程介質(zhì)是工藝氣，其工作壓力0.013 MPa，入口溫度903.7 ℃，出口溫度420 ℃，管程氣體為“左進(jìn)右出”。殼程介質(zhì)是

鍋爐給水，其工作壓力5.5 MPa，入口溫度269.9 ℃，出口溫度271.22 ℃，殼程鍋爐給水方式為“下進(jìn)上出”。換熱管的材料Q345D，規(guī)格為?32 mm×4 mm，引用標(biāo)準(zhǔn)GB 6479—2013《高壓化肥設(shè)備用無(wú)縫鋼管》。設(shè)備投入運(yùn)行后不久發(fā)現(xiàn)有10余根換熱管發(fā)生泄漏失效。

2 理化試驗(yàn)檢測(cè)

2.1 宏觀形貌分析

余熱回收器試樣宏觀照片見(jiàn)圖1(a)，可以看出，漏點(diǎn)附近管板已經(jīng)經(jīng)過(guò)補(bǔ)焊，管內(nèi)通煙氣側(cè)有陶瓷管保護(hù)。選擇管板漏點(diǎn)和非漏點(diǎn)位置分別取樣做宏觀檢查，取樣位置見(jiàn)圖1(a)。取樣剖開(kāi)后的剖面分別見(jiàn)圖1(b),(c)，漏點(diǎn)試樣剖面發(fā)現(xiàn)管束與管板焊接處均存在裂紋(將圖1(b)中的裂紋命名為裂紋1和裂紋2)。由此可見(jiàn)管板和管束的焊接處存在未焊透的缺陷。未焊透對(duì)焊接結(jié)構(gòu)的危害是會(huì)減少承載面積，降低焊接接頭的力學(xué)性能。未焊透引起的應(yīng)力集中遠(yuǎn)比強(qiáng)度降低的危害性大，若承受交變載荷、沖擊載荷、應(yīng)力腐蝕，常由未焊透導(dǎo)致脆性斷裂[17]。

漏點(diǎn)試樣的放大圖見(jiàn)圖1(d),(e)，可以很明顯地看出裂紋1與裂紋2開(kāi)裂的位置，起裂于管板與換熱管未焊透處并由焊縫殼程側(cè)向管程側(cè)延伸；同時(shí)可以看到管板與換熱管間存在間隙，可見(jiàn)貼脹得不夠緊密。而貼脹不夠緊密，會(huì)導(dǎo)致?lián)Q熱介質(zhì)進(jìn)入管板與換熱管之間的間隙，換熱環(huán)境惡劣，管板和管子金屬材料的組織結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，使金屬的力學(xué)性能下降，引起失效[18]。

2.2 管板材料分析

在遠(yuǎn)離失效處取樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，管板的化學(xué)成分檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1，測(cè)試結(jié)果表明，其材料化學(xué)成分均符合NB/T 47008—2010《承壓設(shè)備用碳素鋼和合金鋼鍛件》標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的16Mn鋼的化學(xué)成分要求，可以確認(rèn)管板材料為16Mn鋼。

表1 管板化學(xué)成分分析結(jié)果

2.3 顯微硬度測(cè)試

試樣表面經(jīng)金相砂紙打磨拋光后，用顯微硬度計(jì)測(cè)量顯微組織的硬度，在裂紋、焊縫、管板、管束中，在漏點(diǎn)試樣中取4點(diǎn)，非漏點(diǎn)試樣取6點(diǎn)，每點(diǎn)進(jìn)行5次測(cè)試后取平均值，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2,3。表明換熱器焊縫及其補(bǔ)焊焊縫硬度偏高，焊縫可能具有一定的脆性。

表2 漏點(diǎn)試樣顯微維氏硬度(HV0.2)測(cè)試結(jié)果

表3 非漏點(diǎn)試樣顯微維氏硬度(HV0.2)測(cè)試結(jié)果

2.4 材料金相微觀組織分析

分別從管板、管束、漏點(diǎn)位置(裂紋1、裂紋2)、非漏點(diǎn)位置取樣(焊縫1、焊縫2)，進(jìn)行顯微組織金相分析，具體取樣位置見(jiàn)圖1(a)。管板和管束的顯微組織見(jiàn)圖2,3，均為鐵素體+珠光體組織，呈現(xiàn)帶狀組織分布，管板帶狀組織評(píng)級(jí)為1.5級(jí)，管束帶狀組織評(píng)級(jí)為3級(jí)。正常的帶狀組織應(yīng)小于2級(jí)，顯然管板的帶狀組織超標(biāo)[19]。

(a) (b)

圖2 漏點(diǎn)處管板顯微組織金相照片

(a)

(b)

圖3 漏點(diǎn)處管束顯微組織金相照片

漏點(diǎn)位置裂紋1顯微組織見(jiàn)圖4，并且由圖1(d)可以很明顯地看到，裂紋1附近焊縫處存在未焊透區(qū)域，裂紋1起源于管束外表面(殼程側(cè))焊縫根部未焊透處，并向焊縫內(nèi)部擴(kuò)展，該裂紋縫隙開(kāi)口較寬，裂紋尖端呈鈍圓狀，屬于早期裂紋，具有陳舊性，裂紋總長(zhǎng)度約1.1 mm，該裂紋已經(jīng)停止擴(kuò)展。該裂紋的形成原因可能與焊接殘余應(yīng)力、焊接組織脆性以及管束與管板縫隙所致的應(yīng)力集中有關(guān)[20]。

圖4 漏點(diǎn)位置裂紋1顯微組織金相照片

焊縫區(qū)的顯微組織為白色塊狀鐵素體+少量板條狀馬氏體(低碳馬氏體)，管束焊接熱影響區(qū)的顯微組織為少量白色塊狀或片狀鐵素體+板條狀馬氏體(低碳馬氏體)，說(shuō)明管板漏點(diǎn)位置在補(bǔ)焊過(guò)程中由于發(fā)生快速冷卻，形成了具有脆性的馬氏體組織，促進(jìn)了焊接裂紋的產(chǎn)生。

漏點(diǎn)位置裂紋2顯微組織金相照片見(jiàn)圖5，并結(jié)合圖1(e)，漏點(diǎn)位置裂紋2同樣起源于管束外表面(殼程側(cè))焊縫根部未焊透處，并向焊縫內(nèi)部擴(kuò)展，但是與裂紋1有所不同的是，裂紋2在早期陳舊性裂紋的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步向焊縫深處擴(kuò)展，裂紋總長(zhǎng)度約4 mm。裂紋開(kāi)口狹窄細(xì)小，裂紋尖端尖銳且擴(kuò)展連續(xù)，該裂紋具有高度的活性，其尖端已非常接近管板焊縫外表面(不足2 mm)，也就是即將發(fā)生穿透泄漏。很顯然，裂紋2正是換熱器焊縫發(fā)生泄漏的根本原因。由于裂紋2位于殼程側(cè)，其裂紋類型基本為沿晶型裂紋，裂紋形態(tài)非常類似堿應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂裂紋。兩道補(bǔ)焊焊縫組織均為少量白色柱狀晶界鐵素體+ 馬氏體組織，裂紋具有優(yōu)先沿著柱狀晶晶界發(fā)展的特征，表明在焊縫中存在大量馬氏體組織的基礎(chǔ)上，如果焊縫組織中還出現(xiàn)柱狀晶組織，就會(huì)進(jìn)一步促進(jìn)裂紋的擴(kuò)展過(guò)程。

圖5 漏點(diǎn)位置裂紋2顯微組織金相照片

非漏點(diǎn)位置焊縫1和焊縫2的顯微組織分別見(jiàn)圖6,7，可以看出，除焊縫1管束側(cè)熱區(qū)組織為魏氏組織外[21]，兩處焊縫及焊縫2管束側(cè)熱區(qū)組織均為白色等軸狀鐵素體+少量珠光體組織。值得注意的是，在兩處焊縫根部未焊透處均發(fā)生明顯縫隙腐蝕現(xiàn)象，并形成縫隙腐蝕凹坑，其中在焊縫2縫隙腐蝕尖端處，有疑似新裂紋萌生。因此，管板應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂除了由前述焊接裂紋誘導(dǎo)產(chǎn)生之外，縫隙腐蝕所致尖端裂紋也是誘導(dǎo)應(yīng)力腐蝕裂紋產(chǎn)生的原因之一，這兩種裂紋都有可能成為隨后的應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂裂紋源，并最終導(dǎo)致?lián)Q熱器發(fā)生泄漏。

圖6 非漏點(diǎn)位置焊縫1顯微組織金相照片

(a)

(b)

圖7 非漏點(diǎn)位置焊縫2顯微組織金相照片

2.5 管束內(nèi)外表面微觀腐蝕形態(tài)及腐蝕產(chǎn)物分析

管束內(nèi)表面的掃描電鏡(SEM)微觀形貌如圖8所示。可以看出，管束內(nèi)表面有大量的腐蝕產(chǎn)物覆蓋。

(a) (b)

圖8 管束內(nèi)表面SEM微觀形貌照片

管束外表面的掃描電鏡(SEM)微觀形貌見(jiàn)圖9,可以看出，管束外表面同樣存在腐蝕產(chǎn)物，但是腐蝕程度比管束內(nèi)表面輕微。由于送樣管束均為換熱器泄漏失效后的管束，因此管束內(nèi)表面發(fā)生嚴(yán)重腐蝕的原因可能是由于泄漏后殼程循環(huán)水滲入所導(dǎo)致的腐蝕，而并非是由于管束內(nèi)表面腐蝕導(dǎo)致?lián)Q熱器發(fā)生泄漏，換熱器泄漏的真正原因是焊接裂紋和縫隙腐蝕萌生裂紋所誘發(fā)的應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂所致。從圖1(d)，(e)試樣的放大圖中可以看到，換熱管與管板之間存在間隙。該余熱回收器換熱管與管板采用的是先焊接后貼脹的工藝，從試樣看貼脹工藝并沒(méi)有很好地消除間隙，而這為殼程循環(huán)水以及水壓試驗(yàn)時(shí)殼程水提供了進(jìn)入管板與換熱管的間隙通道，在高溫下這部分液體水分蒸發(fā)，發(fā)生堿液局部濃縮和積聚現(xiàn)象，進(jìn)而在較高的焊接殘余應(yīng)力、熱應(yīng)力以及工作載荷的作用下發(fā)生應(yīng)力腐蝕。

(a) (b)

圖9 管束外表面SEM微觀形貌照片

為進(jìn)一步確定換熱管泄漏的原因，采用能譜儀對(duì)管束外表面的EDS微區(qū)成分進(jìn)行分析。分析結(jié)果見(jiàn)圖10和表4， EDS分析結(jié)果表示：管束外表面主要腐蝕產(chǎn)物為鐵的氧化物(即鐵銹)，并未檢測(cè)到煙氣中所含元素(如硫元素等)，由此可以判斷，管束中的煙氣并未擴(kuò)散進(jìn)入殼程循環(huán)水中，因?yàn)楣艹虩煔鉄o(wú)法穿過(guò)管板焊縫處的裂紋大量擴(kuò)散進(jìn)入殼程循環(huán)水中，這排除了管束發(fā)生腐蝕穿孔破裂的可能。

圖10 管束外表面腐蝕產(chǎn)物位置及微區(qū)能譜分析譜圖

元素質(zhì)量百分比O25.92P0.30Mn1.36Fe71.25Zn1.17總量100.00

2.6 應(yīng)力分析

由試驗(yàn)得出的換熱器泄漏的真正原因?yàn)楹附恿鸭y和縫隙腐蝕萌生裂紋所誘發(fā)的應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂所致，這個(gè)結(jié)論應(yīng)當(dāng)?shù)玫焦馨迮c管束處應(yīng)力分析結(jié)果的佐證。由于高溫和較大的溫度梯度以及復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)，換熱管與管板之間的界面難以測(cè)試以及難以采用常規(guī)計(jì)算分析其應(yīng)力狀態(tài)[22]，Xu等[23]對(duì)管板與換熱管連接處有限元模擬證明了管-管板區(qū)域的高拉伸應(yīng)力，但不足之處是只進(jìn)行了單管應(yīng)力分析?；诖?，采用有限元分析軟件ANSYS，依據(jù)JB/T 4732—1995《鋼制壓力容器——分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(2005年確認(rèn))[24]對(duì)管板處應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行分析，以評(píng)估其設(shè)計(jì)方法是否安全。

2.6.1 模型建立與邊界條件設(shè)置

因?yàn)樵跍囟容d荷的作用下，換熱器應(yīng)力較大的危險(xiǎn)區(qū)域多發(fā)生在管板與管束的連接處。鑒于此，對(duì)管板應(yīng)力場(chǎng)采用熱-結(jié)構(gòu)耦合的分析法。本文采用間接耦合分析法，即先通過(guò)Solid 70單元計(jì)算出換熱器溫度場(chǎng)，再將溫度場(chǎng)以體載荷的形式施加到結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析中[25]。

換熱器為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，故采用 1/2模型建模。熱管與管板的連接方式為先焊后脹，分析時(shí)，假定換熱管與管板是緊密結(jié)合的，即不考慮復(fù)雜的接觸關(guān)系。筒體材料為Q345R，撓性管板材料為16MnⅢ，換熱管材料為Q345D，進(jìn)出口管箱設(shè)有耐火材料。主要材料的物理特性見(jiàn)表5，主要設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表6。網(wǎng)格劃分采用Solid 185實(shí)體單元，經(jīng)過(guò)多次網(wǎng)格劃分試算后，確定劃分單元數(shù)1 439 657，節(jié)點(diǎn)數(shù)1 999 444。由于模型溫度場(chǎng)的特殊性,參考余熱回收器設(shè)計(jì)圖,按表7設(shè)置溫度場(chǎng)邊界條件。幾何模型與有限元模型見(jiàn)圖11，溫度場(chǎng)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖12。

表5 主要材料物理特性

表6 主要設(shè)計(jì)參數(shù)

表7 溫度場(chǎng)邊界條件設(shè)置

(a)

(b)

(a)

(b)

2.6.2 多工況計(jì)算結(jié)果

對(duì)管板進(jìn)行應(yīng)力分析，約束條件為：左側(cè)鞍座底面施加全約束，右側(cè)鞍座底面施加Y，Z方向約束，對(duì)稱面施加對(duì)稱約束。由于換熱器工作過(guò)程中重力產(chǎn)生的應(yīng)力與殼程壓力Ps、管程壓力Pt相比較而言，一般很小，故忽略。依據(jù)GB/T 151—2014《熱交換器》，對(duì)固定管板式換熱器管板應(yīng)當(dāng)考慮6種計(jì)算工況進(jìn)行分析計(jì)算：(1)僅有殼程壓力Ps；(2)殼程壓力同時(shí)計(jì)入膨脹差；(3)僅有管程壓力Pt；(4)管程壓力同時(shí)計(jì)入膨脹差；(5)管、殼程壓力共同作用；(6)管、殼程壓力共同作用，同時(shí)計(jì)入膨脹差。分析結(jié)果見(jiàn)表8。

表8 多工況應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

由分析結(jié)果可以看出，管殼程溫度差所引起的熱應(yīng)力不可忽視，且管程壓力對(duì)計(jì)算結(jié)果影響不大。6種工況依據(jù)JB/T 4732—1995(2005年確認(rèn))路徑線性化評(píng)定皆為合格，限于篇幅僅展示工況6管板與管束的應(yīng)力云圖，進(jìn)口管板與換熱管束的應(yīng)力云圖見(jiàn)圖13。通過(guò)管板處應(yīng)力最大點(diǎn)作路徑1，局部薄膜應(yīng)力95.53 MPa≤1.5×117 MPa,一次加二次應(yīng)力為334.7 MPa≤3×117 MPa。管束應(yīng)力最大處作路徑2，局部薄膜應(yīng)力205.8≤1.5×147 MPa，一次加二次應(yīng)力為230.5 MPa≤3×147 MPa。從計(jì)算結(jié)果來(lái)看，管板與管束的設(shè)計(jì)是安全的，但管板處一次加二次應(yīng)力，管束處局部薄膜應(yīng)力皆已接近許用極限；同時(shí)計(jì)算結(jié)果也證明在管板與管束連接處存在較高的應(yīng)力水平，為應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂，且換熱管束軸向應(yīng)力值為120 MPa。

(a)

(b)

2.7 綜合分析

綜合上文分析可以得出：該余熱回收器管板的化學(xué)成分，硬度均滿足16Mn鋼的要求。通過(guò)掃描電鏡對(duì)管束內(nèi)外表面的微觀腐蝕形態(tài)的觀察并結(jié)合能譜儀的結(jié)果(管束外表面無(wú)S元素)排除了腐蝕穿孔破裂的可能性。換熱管與管板之間的間隙提供了殼程水進(jìn)入焊接裂紋的通道，結(jié)合裂紋金相分析結(jié)果，該應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂屬于堿應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂。EDS分析并未顯示出鈉、鉀等強(qiáng)堿成分，應(yīng)改進(jìn)為用探針檢查裂紋縫隙中的成分。

有限元計(jì)算結(jié)果表明，管束與管板處的應(yīng)力值皆接近其許用極限，且在不考慮焊接殘余應(yīng)力的情況下，換熱管束的軸向應(yīng)力值也有120 MPa。而在局部應(yīng)力水平(由施加的荷載以及熱應(yīng)力和殘余應(yīng)力組合產(chǎn)生)會(huì)加速失效情況，在發(fā)生特定合金的應(yīng)力腐蝕時(shí)，焊接殘余應(yīng)力甚至發(fā)揮主要作用[26]，文獻(xiàn)[8]的研究也支持了未焊透會(huì)導(dǎo)致局部應(yīng)力集中的結(jié)論。焊縫中出現(xiàn)魏氏組織，會(huì)使焊縫韌性大幅下降，缺口敏感性增加等，因此結(jié)合有限元計(jì)算和前人的研究，可以證明在管板與管束的連接處存在較高的應(yīng)力值。

基于堿應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂基本原理，堿液在局部(尤其是裂紋源處)的濃縮和積聚是發(fā)生堿應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的關(guān)鍵因素，而金相分析結(jié)果顯示，在該換熱器管板和管束結(jié)合部存在結(jié)合縫隙、未焊透縫隙甚至焊接裂紋縫隙，這些縫隙不僅提供了腐蝕介質(zhì)滲入的通道，而且還成為堿液濃縮和積聚的場(chǎng)所，直接促進(jìn)了堿應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂發(fā)生和發(fā)展的過(guò)程。

上述研究和計(jì)算與文獻(xiàn)[3]中換熱器在換熱介質(zhì)腐蝕、應(yīng)力腐蝕、間隙腐蝕等情況下，管子上將產(chǎn)生微觀裂紋，如果存在高拉應(yīng)力或交變應(yīng)力，裂紋會(huì)迅速擴(kuò)展而發(fā)生泄漏這一描述形成了印證。

3 結(jié)論與建議

綜合以上對(duì)換熱器失效處的分析結(jié)果結(jié)合有限元數(shù)值計(jì)算可以得出以下結(jié)論。

(1)該換熱器的泄漏系由管板和管束焊縫處發(fā)生應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂所致;

(2)焊縫根部未焊透及焊縫組織缺陷所誘導(dǎo)產(chǎn)生的縫隙腐蝕裂紋、焊接裂紋等，成為應(yīng)力腐蝕裂紋源，并促進(jìn)了應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂裂紋的發(fā)展，最終導(dǎo)致?lián)Q熱器發(fā)生泄漏;

(3)在運(yùn)行工況下的有限元計(jì)算顯示，管束管板處應(yīng)力過(guò)大，而焊接缺陷會(huì)加劇此處的應(yīng)力集中現(xiàn)象，削弱管束管板連接處焊縫強(qiáng)度，這是引起換熱管失效的根本原因。

針對(duì)上述結(jié)論提出以下建議。

(1)應(yīng)嚴(yán)格控制換熱器焊接和補(bǔ)焊工藝參數(shù)，采用小的焊接線能量并進(jìn)行多道次焊接，以避免出現(xiàn)柱狀晶組織;

(2)采取焊前預(yù)熱，焊后緩冷措施，以避免出現(xiàn)焊縫馬氏體組織;

(3)優(yōu)化焊接坡口設(shè)計(jì)，避免產(chǎn)生未焊透現(xiàn)象;

(4)采用脹焊工藝，隔絕殼程循環(huán)水進(jìn)入管板與管束結(jié)合部的通道，從而杜絕堿應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的發(fā)生。