热媒冷却器失效原因大致分析

郭学双+张文青+束庆鹏+张军

（1. 江苏中圣压力容器装备制造有限公司 211112； 2. 南京胜德金属制品有限公司 210008）

摘 要： 对于在役的两台热媒冷却器112-E03和116-E01在使用两年后，换热管中部发生了泄漏事故，业主希望根据我们的设计经验作出初步分析方案供其有针对性地排查原因。

关键词： 压力容器 冷却器 失效分析 排查原因

某公司在役的两台热媒冷却器112-E03和116-E01在使用两年后，换热管中部发生了泄漏事故，业主希望根据我们的设计经验提出初步分析方案供其有针对性地排查原因。同时对即将安装的类似两台设备提出合理化建议。

这是一台4管程2壳程的U型管换热器如下图一，操作条件如下图二，换热管及管板材料为S30408，其余材料为碳钢材料。因局限于现场的操作，业主无法提供更多的信息供我司解读，依据此信息作出如下分析：

结合这两台热媒冷却器的特点，发生泄漏的可能原因，大致如下：

1、热媒冷却器的介质有较大的腐蚀性，选用不锈钢S30408材料不当；

2、热媒冷却器使用的不锈钢S30408材料不符合要求，或者存在潜在质量风险；

3、热媒冷却器的结构设计未按照相关标准执行；

4、热媒冷却器使用过程中出现剧烈振动，容易导致换热管和折流板接触处产生缺陷。但是换热器在设计时未进行振动计算校核；

5、热媒冷却器使用过程中存在反复开停车的工况，这种交变应力会导致换热器产生疲劳，进而出现失效；

针对以上可能原因，我们逐一排除如下：

1、这两台热媒冷却器管程的介质是热油，壳程是冷却水，根据我们的经验，选用不锈钢S30408材料应该完全能满足要求；除非管壳程的介质中存在大量的氯离子，产生了应力腐蚀。

2、这个需要核对换热管材料质证书，详细了解换热管生产的标准，生产厂家，生产过程做过的检测。如果都是按照GB13296-2013执行的，且每一个检测都是合格的，就基本可以判定换热管原材料是符合要求的，且不存在质量风险；

3、我们看了这两台热媒冷却器的结构，包括布管形式，换热管和管板的连接结构，折流板的形式和间距，设备法兰和管板的连接结构等，都是符合GB/T151标准的，因此换热器的结构设计不存在缺陷；

4、两台热媒冷却器的管壳程温差变化大，存在振动的可能性（与贵司技术人员确认后，换热器使用过程中确实也存在振动现象）。因为在设计阶段做过振动计算，说明这种结构是能够满足振动要求的。

5、JB/T 4732标准规定：换热器的年开停车超过1000次，必须进行疲劳分析。从这两台热媒冷却器的使用寿命，泄露位置等来看，与未做疲劳分析可能会造成的设备缺陷非常类似。而且这两台热媒冷却器的管壳程的温度在指定时间段内变化大，且两程温差大，且每天要经历四次间歇操作，导致该设备在使用2年左右后会出现失效。再进一步分析，换热管本身受载情况比较复杂：①有压力；②有交变的轴向温差，此会引起循环的径向应力；③有交变的径向温差，此会引起循环的轴向应力；由重力引起的恒定机械载荷，此会附加域内压基础上产生弯曲应力；④包括折流板等，此会形成复杂的管束支撑条件；⑤任意两折流板件的管束的受载情况各不相同，又相互影响，整个管束的温度分布、热梯度变化、热应力分布和变，不仅仅和空间坐标有关，也与时间有关。综上分析：要分析清楚这台设备的应力情况和疲劳与否，有如下内容需要考虑：①.管程和壳程必须同时做瞬态分析；②必须整体建模考虑；③.必须计算出全时程内任意时刻温度场分布；④必须考察出最大应力出现在什么时刻什么位置， ⑤.必须寻找出全时程内任意时刻任一点的最大交变应力范围；⑥.疲劳评定是必须考虑机械载荷和温度载荷耦合作用的下疲劳寿命。⑦.必须对热应力棘轮进行校核，以确定是否会发生渐增性塑性垮塌。⑧.对失效部位的三向主应力校核，检查是否发生三向主应力下的脆性断裂。

结束：综上所述，两台热媒冷却器出现失效的可能原因需要业主一一排查，同时建议对泄漏处的换热管做金相显微组织分析。我司初步认为是设备未按照要求进行疲劳分析是可能导致换热器失效较大的一个原因。鉴于失效的热媒冷却器的换热管的管壁是1.5mm，而现在已经制作完成，待安装的热媒冷却器的换热管的管壁是2.0mm，会不会出现同样的问题，首先需要进行疲劳分析来排查。如果经过疲劳分析，热媒冷却器的换热管的管壁在2.0mm以内都是满足使用要求的，证明这两台设备可以继续使用；如不能满足使用要求，则还需要重新设计、制作，以替换这两台设备。

参考文献

[1]GB150-2011 壓力容器

[2]GB/T151-2014 热交换器

[3]JB/T 4732-1995（2005）钢制压力容器-分析设计标准（2005年确认版）

[4]任凌波 任晓蕾 压力容器腐蚀与控制 北京：化学工业出版社