管壳换热器换热管失效分析

2023-10-26吕林君王良初陆水龙

设备管理与维修 2023年17期

王军，吕林君，王良初，陆水龙

（1.绍兴市特种设备检测院，浙江绍兴 312071；2.浙江新和成特种材料有限公司，浙江绍兴 312369）

0 引言

换热器是在不同温度的两种或两种以上流体间实现热量传递的一类容器。其中，管壳式换热器又称列管式换热器，是以封闭在壳体中管束的壁面作为传热面的间壁式换热器。这种换热器结构较简单，操作可靠，可用各种材料制造，能适应各种复杂工况和工艺过程的使用，是目前化工企业生产中应用最广泛的类型。

由于换热器的工况多种多样，换热器失效时有发生，对生产安全造成了一定的影响。管壳换热器规范以GB/T 151—2014《热交换器》为基础，通常是以常规设计为主，设计资料一直未将管束振动等计算列入。但是，由于换热器发生管束振动，造成设备失效乃至停产停运的事故仍不时有报道[1]。尤其是由于流体诱发振动引发的换热管破坏，成为常见的破坏原因，也是国内外研究的一个焦点。

值得注意的是，在很多强化传热的研究中，换热管在适当范围内的振动可以造成一定的扰流作用，而最常用的方法就是增大介质的流速，有些采取减少固定约束，造成管束的振幅加大。但是，考虑到换热管是挠性部件，当壳程介质横流速度达到临界值，换热管就有产生共振的风险[2]，从而引起换热管的变形破坏等。管壳换热器中管束有成百上千个，破坏往往发生在局部，因此横流速度最大区域的管子，成为破坏的起点。因此在出现换热管破坏的案例中，需要特别注意这些区域的换热管。

1 故障概况

图1 换热管布置

表1 换热器主要参数

该换热器投用6 个月之后，因厂内工艺需要，并联的同结构同参数的换热器停用。设备继续运行3 个多月之后，发现壳程导热油高位槽介质中产生白雾，初步判断导热油系统中有不明来源的带水汽介质混入。随即使用单位紧急停产，进行故障排查，发现有7根换热管开裂（图2）。随即对开裂的换热管实施抽管作业，进一步分析原因。

图2 换热管开裂

图3 换热管金相组织

2 检测分析

2.1 外观检查

将抽出的换热管进行外观检查，7 根管子均产生1 条贯穿的裂纹，成不规则环状，分布于换热管的端部，其位置距离下管板内侧约10 cm。靠近裂纹端部，可见长度22～25 mm 粗短节，其长度与管板厚度相同，系采用胀管工艺产生的正常塑性变形。个别裂纹闭合，肉眼难以识别，在拉弯作用下才可分辨开口。开裂的换热管外部其余部分没有出现明显的变形、腐蚀等损伤。

2.2 材料检查

为了确认换热管材料，采用布鲁克便携式合金分析仪对发生开裂的材料进行元素分析，分析结果见表2。元素成分符合304#材料的成分要求，经与出厂资料进行对比，材料不存在用错混用等异常情况。

表2 换热管成分分析

2.3 金相检测

按照GB/T 4334—2020《晶间腐蚀试验》的要求，在实验室条件下，对换热管进行金相检验，分析其微观结构。微观形貌显示奥氏体晶界平直，无腐蚀沟，晶粒呈台阶状，为一类阶梯组织，是换热管正常的金相组织，说明管道材料并未发生变化。经材料分析及金相检测，基本可以排除材料存在问题。

3 流体诱发振动校核

由于发生破裂的管子集中处于导热油出口部位，在折流板的作用下，导热油产生明显的横向流动，管子在该部位存在较大横流速度，且在破坏前由于工艺变化，导热油流量的突增导致横流速度加大。因此需要考虑工况改变导致管束的振动情况，特别是注意到类似设备曾发生过类似问题，且在设计资料中同样未按照GB/T 151—2014 附录C 进行流体流体诱发振动校核[3]，故而按照产品制造标准GB/T 151—2014 进行校核。

3.1 模型构建

根据换热器的技术资料，按照使用工艺，对换热器主要影响计算的结构进行详细分解，建立计算模型（图4）。

3.2 主要参数确定

热交换器壳体内径D 为0.8 m，换热管外径d 为0.019 m，壁厚0.00 20 m，管孔中心距s 为0.025 m，正三角形排列，管长6 m，两管板内侧间距为5.877 m，折流板厚tb为0.008 m。折流板布置见图4。

3.3 横流速度

对主要参数的确定。通过对换热管布置的分析及计算，换热管各列总间隙0.15～0.23 mm，在最小间隙处横流速度最大。按照厂方提供的操作参数，导热油正常流量达到211 680 kg/h 时，热交换器进口处的横流速度可达到0.997 m/s，热交换器出口处的横流速度可达到0.839 m/s，折流板间的横流速度可达到0.638 m/s。

3.4 卡门旋涡频率fv1

经计算，进口处的卡门旋涡频率为11.80 Hz 出口处的卡门旋涡频率为9.93 Hz，折流板间的卡门旋涡频率为7.58 Hz。

3.5 换热管固有频率f1

换热管刚性在折流板缺口处最差，估算换热管一阶固有频率，导热油进口侧为20.32 Hz，导热油出口侧为19.27 Hz。

3.6 临界横流速度

流动角为30°，节径比为1.32 的管束，在已知换热管的对数衰减率为0.03 的情况下，可以得到临界横流速度为0.485 m/s。

3.7 振幅计算y

通过计算可得热交换器进口处的振幅最大达到0.000 77 m，换热器出口处的振幅最大达到0.000 49 m，折流板间的振幅最大为0.000 28 m。正常情况下，一般振幅应不大于0.02 d0，在该换热器中，换热管允许的振幅为0.000 38 m，可见换热器进出口位置换热管的振幅已经超过推荐允许值。

3.8 流体诱发振动判定

由于热交换器进口处的横流速度V1=0.997 m/s>临界横流速度VC1=0.485 m/s；热交换器出口处的横流速度V1=0.839 m/s>临界横流速度VC1=0.485 m/s；折流板间的横流速度V2=0.638 m/s>临界横流速度VC1=0.485 m/s 可以得知，除了在折流板间外，换热器进出口处的最大振幅已经超过推荐允许的振幅，意味着换热管出现了超过允许的振动，流体诱发振动最终导致换热管开裂。

4 原因分析

导热油流动在穿过换热管时，换热管可以看作是两段固定的细长梁，流动带来了本身具有弹性的换热管产生位置偏移，从而产生流体诱发振动。壳程导热油流速的适当增加，增加了导热油的紊流场，有利于传热效率的提升。流量的激增导致导热油穿过换热管的横向流速度增大，导热油诱发振动的频率与换热管的固有频率处于敏感范围，换热管的振幅激增。由于换热器管束是挠性部件，振动无可避免，振幅处于敏感区促使换热管产生周期性的大振幅振动。由于壳程进出口是速度最大的区域，管板处由于受到管板的约束，受力情况更加复杂，因此靠近管板处也最易发生流体诱发振动的区域。

在本案例中，管道产生诱发振动的原因是由于工艺变化导致了横流速度的大幅增加，导致换热管的一阶固有频率与导热油的卡门旋涡频率达到可以产生流体诱发振动的敏感区域，同时从振幅可以看出，换热管已经产生了高振幅的振动，换热管在流体诱发振动的作用下，在速度最大的导热油进出口处，换热管工况最为恶劣，成为易发生开裂的区域。

5 应对措施

根据振动产生的原因，可以采取的防振措施主要有：①通过设置进口旁通等分流措施，改变导热油的流量，进而进一步降低流过换热管的横流速度；②在将换热管与周围换热管设置夹、增楔形物、平直插等增加管子刚性，改变管子支撑，通过改变换热管的固有频率来避免产生流体诱发振动；③改变折流板的形式与布置，用双弓形折流板、三弓形折流板代替单弓形折流板等；④在兼顾工艺的条件下，减小换热管的跨距，从而增大换热管的固有频率。