奥氏体不锈钢的应力腐蚀开裂05第一章 绪论.docx

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奥氏体不锈钢的应力腐蚀开裂05第一章绪论

第一章绪论

1.1前言

换热器又称热交换器，是把热量从一种介质传给另一种介质的设备。

它是化工、石油、食品、能源、制药、机械及其他许多工业部门广泛使用地一种通用设备。

换热器不仅是保证某些工艺流程和条件的设备，也是开发利用工艺二次能源，实现余热回收和节能的主要设备[1]。

换热器的作用可以是交换热量，即在确定的流体之间，在一定时间内交换一定数量的热量；也可以以回收热量为目的，用于余热利用；还可以是以保证安全为目的，即防止温度升高而引起压力升高造成某些设备被破坏。

1.2换热器的分类

由于各种换热器的作用、工作原理、结构以及其中工作的流体种类、数量等差别很大，因此，为研究和讨论方便，按照换热器的共同特性加以分类，分类方法有很多[2]。

1.2.1按用途分类

（1）加热器加热器是把流体加热到必要的温度，但加热流体没有发生相的变化，加热介质有水蒸气、导热油、熔盐等。

（2）预热器预热器预先加热流体，为工序操作提供标准的工艺参数。

（3）过热器过热器用于把流体（工艺气或蒸汽）加热到过热状态。

（4）蒸发器蒸发器用于加热流体，达到沸点以上温度，使其流体蒸发，一般有相的变化。

（5）冷却器冷却工艺物流的设备，冷却剂有水、氨和氟利昂等。

（6）再沸器用于蒸发蒸馏塔底部的物料设备。

（7）冷凝器蒸馏塔顶物流的冷凝或者反应器循环回流的设备。

1.2.2按作用原理或传热方式进行分类[3]

（1）直接接触式换热器

直接接触式换热器如图1-1所示，它是利用冷、热流体直接接触，彼此混合进行热量交换的换热器。

直接接触式换热器具有传热效率高、单位容积提供的传热面积大、结构简单和价格便宜等优点，但是仅适用于工艺上允许两种流体混合的场合。

图1-1直接接触式换热器

（2）蓄热式换热器

蓄热式换热器如图1-2所示，它是借助于由固体（如固体填料）构成的蓄热体与冷、热流体交替接触，把热量从热流体传递给冷流体的换热器。

蓄热式换热器结构紧凑、价格便宜和单位面积传热面大，故较适用于气-气热交换的场合。

图1-2蓄热式换热器

（3）间壁式换热器

间壁式换热器是利用间壁（固体壁面）将进行热交换的冷热两种流体隔开，不相互接触，热量由热流体通过间壁传递给冷流体的换热器。

间壁式换热器是工业中应用最为广泛的换热器，其形式多种多样，如工业中常见的管壳式换热器和板式换热器（如图1-3）都属于间壁式换热器。

图1-3板式换热器

（4）中间载热体式换热器

中间载热体式换热器是把两个间壁式换热器由在其中循环的载热体连接起来的换热器。

热载体在高温流体换热器和低温流体之间循环，在高温流体换热器接受热量，在低温流体换热器把热量释放给低温流体。

1.3管壳式换热器

目前，在换热器中应用最多的是管壳式换热器，如图1-4，它是工业过程热量传递中应用最为广泛的一种换热器。

虽然管壳式换热器在结构紧凑性、传热强度和单位传热面的金属消耗方面无法与板式或板翅式等紧凑式换热器相比，但管壳式换热器适用的操作温度与压力范围较大，制造成本低，清洗方便，处理量大，工作可靠，长期以来，人们已在其设计和加工制造方面累积了许多的经验，建立了一整套程序，可以容易地查找到其可靠地设计及制造标准，而且方便地使用众多材料制造，设计成各种尺寸及形式，管壳式换热器往往成为人们的首选[4]。

图1-4管壳式换热器

1-管子；2-封头；3-壳体；4-接管；5-管板；6-折流板

1.3.1基本类型

根据管壳式换热器的结构特点，可分为固定管板式、浮头式、U形管式、填料函式和釜式重沸器五类[3]。

（1）固定管板式换热器

固定管板式换热器的典型结构示意图如图1-5所示，管束连接在管板上，管板与壳体焊接。

其优点是结构简单、紧凑，能承受较高的压力，造价低，管程清洗方便，管子损坏时易于更换。

缺点是当管束与壳体的壁温或材料的线膨胀系数相差较大时，壳体与管束将产生较大的热应力。

这种换热器适用于壳程介质清洁且不易结垢并能进行清洗，管、壳程两侧温差不大或温差较大但壳程压力不高的场合。

图1-5　固定管板式换热器

1—封头；2—法兰；3—排气口；4—壳体；5—换热管；6—波形膨胀节；7—折流板（或支持板）；8—防冲板；9—壳程接管；10—管板；11—管程接管；12—隔板；13—封头；14—管箱；15—排液口；16—定距管；17—拉杆；18—支座；19—垫片；20、21—螺栓、螺母

（2）浮头式换热器

浮头式换热器的典型结构示意图见图1-6，两端管板中只有一端与壳体固定，另一端可相对自由移动，称为浮头。

其优点是管间与管内清洗方便，不会产生热应力；但其结构复杂，造价比固定管板式换热器高，设备笨重，材料消耗量大，且浮头端小盖在操作中无法检查，制造时对密封要求较高。

适用于壳体和管壁之间温差较大或壳程介质易结垢的场合。

图1-6　浮头式换热器

1—防冲板；2—折流板；3—浮头管板；4—钩圈；5—支耳

（3）U形管式换热器

U形管式换热器的典型结构示意图如图1-7所示。

这种换热器的结构特点是只有一块管板，管束由多根U形管组成，管的两端固定在同一块管板上，管子可以自由伸缩。

其结构比较简单、价格便宜，承压能力强，适用于管、壳壁温差较大或壳程介质易结垢需要清洗，又不适宜采用浮头式和固定管板式换热器的场合。

特别适用于管内走清洁而不易结垢的高温、高压、腐蚀性强的物料。

图1-7　U形管式换热器

1—中间挡板；2—U形换热管；3—排气口；4—防冲板；5—分程隔板

（4）填料函式换热器

填料函式换热器的结构示意图如图1-8所示。

这种换热器的结构特点与浮头式换热器相类似，浮头部分露在壳体以外，在浮头与壳体的滑动接触面采用填料函式密封结构。

因填料出易产生泄漏，填料函式换热器一般适用于4MPa以下的工作条件，且不适用于易挥发、易燃、易爆、有毒及贵重介质，使用温度也受填料的物性限制，现已很少采用。

图1-8　填料函式换热器

1—纵向隔板；2—浮动管板；3—活套法兰；4—部分剪切环；5—填料压盖；6—填料；7—填料函

（5）釜式重沸器

釜式重沸器结构示意图如图1-9所示。

这种换热器的管束可以为浮头式、U形管式和固定管板式结构，所以它具有浮头式、U型管式换热器的特性。

在结构上与其他换热器不同之处在于壳体上部设置一个蒸发空间，蒸发空间的大小由产气量和所要求的蒸气品质所决定。

此种换热器清洗维修方便，可处理不清洁、易结垢的介质，并能承受高温、高压。

图1-9　浮头式重沸器

1—偏心锥壳；2—堰板；3—液面计接口

1.3.2管壳式换热器的结构特点

管壳式换热器的主要零部件有壳体、接管、封头、管板、换热管、折流元件等，对于温差较大的固定管板式换热器，还应包括膨胀节。

管壳式换热器的结构应保证冷、热两种流体分走管程和壳程，同时要有承受一定温度和压力的能力[4]。

流体流经换热管内的通道及与其相贯通部分称为管程；流体流经换热管外的通道及与其相贯通部分称为壳程。

管壳式换热器的主要组合部件有前端管箱、壳体和后端结构（包括管束）三部分[5]。

（1）管程结构

a.换热管在管板上的排列形式　　主要有正三角形、转角正三角形、正方形和转角正方形等，如图1-10所示。

正三角形排列形式可以在同样的管板面积上排列最多的管数，故用得最为普遍，但管外不易清洗。

图1-10换热管常见排列方式

注：

流向垂直于折流板缺口

b.管束分程　管内流体从换热管一端流向另一端一次，称为一程；对U形管换热器，管内流体从换热管一端经过U形弯曲段流向另一端一次，称为两程。

最简单最常用的是单管程换热器。

c.管板的作用是排布换热管，将管程与壳程的流体分开，避免冷、热流体混合，同时受管程、壳程压力以及温差应力的作用。

由于温度变化时会产生热应力，有时导致管板与换热管在连接处发生损坏，因此，在满足强度的前提下，应尽量较少管板厚度。

d.换热管与管板连接　换热管与管板连接时管壳式换热器事故率最多的部位，连接质量的好坏直接影响换热器的使用寿命[3]。

换热管与管板的连接方法主要有强度胀接、强度焊和胀焊并用。

e.当壳体直径较大时，大多采用管箱结构，它位于管壳式换热器的两端，它的作用是把从管道输送来的流体均匀地分布给各个换热管和把管内流体汇集在一起送出换热器。

在多管程管壳式换热器中，管箱还有改变流体流向的作用。

（2）壳程结构

壳程主要由壳体、折流板或折流杆、支持杆、纵向隔板、拉杆、防冲挡板、防短路结构等元件组成。

ａ．壳体　一般是一个圆筒，在壳壁上焊有接管，供壳程流体进入和排出之用。

为防止进口流体直接冲击管束而造成管子的侵蚀和振动，在壳程进口接管处常装有防冲挡板，后称缓冲板。

ｂ．折流板　可以提高壳程流体的流速，增加湍流程度，并使壳程流体垂直冲刷管束，以改善传热，增大壳程流体的传热系数，同时减少结垢。

ｃ．防短路结构　为了防止壳程流体流动在某些区域发生短路，降低传热效率，常用的防短路结构主要有旁路挡板、挡管、中间挡板。

1.3.3换热器选型

换热器的作用不同，其设计、选型、运行工况也各不相同。

换热器在设计或选型时应满足以下基本要求：

（1）合理地实现所规定的工艺条件；

（2）结构安全可靠；（3）便于制造、安装、操作和维修；（4）经济上合理。

1.4换热器常见的失效形式

换热器使用过程中，由于振动、介质与换热器之间的磨损、腐蚀等各种原因，会发生泄漏、换热能力下降等而失效。

换热器使用过程中常见的几种失效形式如下所示。

1.4.1换热管与管板的连接处　

换热管与管板的连接方法主要有强度胀接、强度焊接和胀焊并用。

（1）强度胀接

强度胀接是为保证换热管与管板连接的密封性能及抗拉脱强度的胀接。

胀接适用于设计压力≤4MPa、设计温度≤300℃、无剧烈振动、无过大的温度变化和无明显的应力腐蚀的场合。

由于管子与管孔紧密贴合，可使管接头减少介质腐蚀，且能承受拉脱力[6]。

（2）强度焊接 

强度焊接是指保证换热管与管板连接的密封性能及抗拉脱强度的焊接[7]。

焊接法加工简便，连接强度好，在高温高压时也能保证连接处的紧密性与抗拉脱能力。

当连接处焊接之后，管子与管板中存在的残余热应力与应力集中，可能引起应力腐蚀与疲劳损坏，使管子与管板连接处失效泄漏。

（3）胀焊并用

胀接与焊接方法都有各自的优点与缺点，而采用胀焊结合的方法，不仅能提高连接处的抗疲劳性能，还可消除应力腐蚀和间隙腐蚀，提高使用寿命。

另外胀焊结合，管程介质对管板的传热面积比壳程介质对管板的传热面积大许多倍，尤其是厚管板的情况[6]。

当密封性能要求较高、承受振动或疲劳载荷或有间隙腐蚀、采用复合管板时，应该选择胀焊并用。

换热管与管板的连接处属于几何形状突变处，换热器在焊接、热加工、热处理时引起的材料残余应力、安装时产生的装配应力、工作时管内外压力差及温差作用而产生的机械应力和热应力，以及由载荷、操作或振动等引起的附加应力，换热管与管板材料选择的差异性等因素都可能产生拉应力。

在壳程流体的诱导振动和其腐蚀性的双重作用下，管口与管板连接处便出现了应力腐蚀开裂（如图1-11）、缝隙腐蚀和振动疲劳破坏，而且它们之间的相互促进，又进一步加大了连接处的破坏速度。

图1-11管板裂纹形貌

管与管板连接部位是管束最薄弱的部位，管束中大多失效发生在其连接处。

以下措施对提高连接处的使用寿命有一定的意义。

（a）连接方式采用先焊后胀的顺序，并且采用机械液压胀接，焊后要做相应的热处理。

换热管伸出管板的尺寸可以适当加长。

（b）换热管的材质与管板的材质尽量匹配，这样可以消除不同材料接触所形成的电势差，有利于从根本上控制管程和壳程的双侧腐蚀问题。

同时换热管材质的硬度要低于管板材质的硬度，使管板与换热管的胀接得到最佳组合[8]。

还有就是选择合适的焊条进行焊接。

1.4.2换热管与折流板的配合处

为了加工制造的方便和使用中能充分吸收换热管的热膨胀量，折流板与换热管的配合处常留有一定的间隙。

在壳程流体的冲击下，此间隙逐渐加大，导致折流板切割换热管，从而引起强大的振动噪音和换热管的泄漏失效。

这个间隙的存在还会使壳程流体的流动变得更加复杂，影响换热器的传热效率[8]。

可采取以下措施进行改善：

（a）加工制造时尽量减小换热管与折流板间的间隙；（b）折流板的材料不要选得过硬，以免短时间内破坏换热管；（c）可适当增加换热管的厚度，提高抗切割能力；（d）尝试着在空隙处插入一种弹性很好的材料，这样既吸收了热膨胀量又隔开了折流板的切割作用。

1.4.3管板与壳体连接处

对于固定管板换热器来说，管板与壳体的连接处也是很容易失效的。

一方面是由于换热器的壳体和管板在使用过程中承受着较大的温差应力和压力载荷的作用，由于壳体温度载荷高，径向变形大，而管板温度载荷低，径向变形小，并且管板厚度大，抵抗变形的刚度也大，所以它对与管板连接地方的壳体约束就大，限制了壳体在高温载荷作用下引起的径向膨胀，形成局部应力集中；另一方面固定管板换热器管板与壳体的连接采用的是焊接结构，由于其几何尺寸的突变，抵抗应力的能力也存在着很大的差异，再加上温度及压力载荷的突变，所以在此处会形成局部应力集中，在压力载荷等因素的作用下，可能发生断裂破坏[9]。

管板和壳体之间不均匀的温度分布和管板具有较大的刚度，是引起结构应力集中的主要原因。

因此，在满足结构强度的前提下，可以考虑适当降低管板的厚度。

1.4.4U形管弯管处

由于U形管制造时存在着塑性变形，以致弯管处产生较大的残余拉应力。

同时，两直管段不均匀的热变形又提供了温差应力，两个应力互相叠加，便在弯管处形成很大的拉应力。

在介质的腐蚀、弯管处弯曲振动与扭曲振动的作用下，形成了对弯管处影响很大的疲劳腐蚀破坏[9]。

减轻其失效的方法有：

（a）尽量增大U形管的弯曲半径，以便使其充分吸收热应力；（b）对弯管处做相应的处理，以消除残余应力；（c）加大流体进入壳体的面积，适当降低流体的流速，从而降低管束的振动频率；（d）增加换热管（U形段）厚度。

1.4.5小浮头垫片的泄漏失效

浮头垫片内漏的主要原因是由于使用过程中存在着温差应力。

温差应力降低了小浮头垫片的螺栓预紧力，并且小浮头螺栓在使用过程中不能实现自紧密封，以致产生失效[8]。

解决的办法有：

（a）尽量避免装置在运行过程中操作温度和操作压力的波动；（b）要充分考虑温度的影响，以防止垫片在高温下发生蠕变和应力松弛，使密封比压下降，造成泄漏；（c）能用强度低的螺栓就不用强度高的，一味增加预紧力会使与其配合的相关

部件变形,使预紧力下降；（d）选用垫片时,要符合实际要求，能用垫片系数低的就不用系数高的。

1.4.6管束腐蚀、冲蚀和磨蚀失效

管束腐蚀和磨蚀失效的主要原因有：

1）流体的腐蚀和磨蚀；2）管内壁有污物积累而发生局部腐蚀；3）管端产生缝隙腐蚀等；4）流体出入壳程时对管束的冲蚀。

管束失效往往是许多因素共同作用的结果；预防措施有：

（a）对于可拆卸的管束要定期进行清洗；（b）合理选择管束材质；（c）在流体入口设置过滤装置和缓冲结构等。

1.4.7传热能力下降

在换热器运行过程中，工作介质中含有颗粒物、悬浮物可能都会在管束内、外壁结垢，随着垢层的增厚，传热热阻很快增大，并且严重时污垢会使工作介质流道阻塞，从而导致换热能力迅速降低[9]。

预防的方法：

（a）当得知介质很容易结垢时，必须采用容易检查、拆卸和清理的换热器类型或换热管排列结构；（b）充分掌握易污部位、致污物质及结垢程度，进行定期检查；可通过检查流量、压力和温度等操作记录来判定结垢情况。

1.5换热器失效的原因

1.5.1沉积物导致的电化学腐蚀

若换热管中的介质流动不均匀或者不流动时，就会在换热管上形成一定量的沉积物。

而这些沉积物经常是以马蹄形的凹槽或者是深谷形状存在，所以它就会沿着流体的流动方向流向金属的表面。

之所以会发生电化学腐蚀，就是因为缝内、外氧的含量存在一定的差异。

其中包括:

若是阳极氧化反应,就会导致金属溶解；若是阴极还原反应，就将物质还原成了中性溶液或者是碱性溶液；与此同时，产生大量地腐蚀产物，致使缝内、外化学成分极度的不均衡，进而会导致更严重的腐蚀[10]。

1.5.2换热管水侧的腐蚀

因为换热管的交换介质往往是水，所以水对换热管造成的腐蚀问题值得重视。

发生腐蚀的原因是水的特性，即pH值过低、水汽渗透、含有一定的溶解氧以及含有一些有腐蚀性的阴离子（Cl-，S2-等），进而导致换热管发生电化学腐蚀。

所以，预防换热管腐蚀要求换热管防腐表面的粘附性好、导热性好、能够抵抗温度的变化以及硬度也要较高。

与此同时，还要具有抵抗化学离子侵蚀、水汽的渗透、阻止产生污垢的能力，这样才能较好的预防换热管的腐蚀。

1.5.3换热器表面的磨损

金属部件的外侧和腐蚀介质之间的相对运动速度比较大，这样就会使得部件的外侧部分地方出现比较严重的腐蚀损坏，把这类腐蚀叫做磨损腐蚀，也叫磨损。

导致磨损的原因可以是气体、液体或者是固体颗粒、气泡等介质的流动。

在石油化工生产时经常会产生一些具有粘性的介质，为了使这些介质不发生沉淀结垢，因此介质的流速必须要大于2m/s，若流体的流速特别高，尤其是一些含有固体颗粒和气泡的流体，速度过高就导致这些介质冲刷传热面，造成局部表面的压力可以达到几十MPa，甚至更高。

在设计的过程中，为了避免流体流入壳体，导致换热管受到直接的冲刷或间接冲刷，就会在壳体进口处的管道口上安装防冲板，然而由于流体或者是固体颗粒冲刷的时间比较长，就会导致防冲板发生损坏[10]。

此外，振动以及微振动也是导致折流板管孔处受到磨损的因素。

1.6本课题的主要研究内容

了解换热器的结构特点，分析可能产生应力腐蚀开裂的原因、容易发生应力腐蚀开裂的部位以及改进措施等，并对实际工况下发生应力腐蚀开裂换热管的开裂原因进行深入剖析。

主要研究内容：

（1）了解应力腐蚀开裂的概念和条件；

（2）熟悉奥氏体不锈钢的性能特点以及发生应力腐蚀开裂的环境条件和影响因素。

（3）对奥氏体不锈钢发生应力腐蚀开裂的形态和机理；（4）针对换热器中奥氏体不锈钢的应力腐蚀开裂现象，分析可能产生应力腐蚀开裂的原因、容易发生应力腐蚀开裂的部位以及改进措施等（5）针对具体实例，对实际工况下发生应力腐蚀开裂换热管的开裂原因进行深入地分析。