PDF《应力腐蚀条件下的承压设备去应力设计》

2012 年11 月第11 卷第6期渊总第

60 期冤 安阳工学院学报 Journal of Anyang Institute of Technology Nov.

2012 Vol.11 No.6渊Gen.No.60冤元收稿日期院2012-04-12 作者简介院郭进全渊1963-冤袁男袁安阳工学院机械工程学院高工/副教授袁博士袁硕导袁从事轻化工机械尧动力机械的工程尧教学 和科研工作袁研究方向院机械结构强度设计尧先进机床设计制造技术遥 应力腐蚀条件下的承压设备去应力设计 郭进全

1 袁蔡银丽

2 渊1. 安阳工学院 机械工程学院袁河南 安阳 455000曰2.鹤壁天马通信股份有限公司袁河南 鹤壁 458000冤摘要院根据产生应力腐蚀的条件袁提出了锅炉压力容器等承压设备去应力设计的概念袁分别阐述了它的三个组成部 分要要 要运行工艺设计尧结构设计和热处理工艺设计遥 并结合一种 LHS 型燃油渊气冤锅炉烟管的碱脆和压力容器的现场制造袁 提出了具体的去应力结构和处理办法遥 关键词院锅炉曰压力容器曰应力腐蚀开裂渊SCC冤曰结构设计曰去应力设计 中图分类号院 O346.2 文献标志码院A 文章编号院1673-2928渊2012冤06-0003-04 在静应力和特定的腐蚀环境联合作用下袁金 属构件发生的脆性开裂过程称为应力腐蚀开裂 (stress-corrosion-crack, 以下简称 SCC)遥 近年来袁随 着工业装置的大型化尧高温高压袁以及高强钢的大 量使用袁工程应用中 SCC 事故不断增多袁且 SCC 已 成为热能工业尧 石化行业和其他工业部门的最危 险的损伤之一遥 根据国内外一些著名化工企业的 统计数字表明袁SCC 事件占总腐蚀破坏事件总数的 50豫左右[1] 遥 而且由于 SCC 是以低应力脆断方式破 坏袁容易导致灾难性的后果袁所以对 SCC 的研究及 防治有着特别重要的意义遥 目前袁 关于应力腐蚀开裂的机理已有了充分 的认识遥 SCC 的发生必须要三个条件同时具备袁即 一定水平的拉应力尧 特定的腐蚀介质以及对该腐 蚀介质具有应力腐蚀敏感的钢材袁 温度和腐蚀介 质浓度也是很重要的影响因素[2] 遥 腐蚀和应力的作 用是相互促进袁不是简单的叠加遥 如果从这两个因 素中任意取消一个袁金属的破坏将变得微不足道遥 目前对于 SCC 的失效分析是比较多的袁 而在防治 SCC 的方法上袁大量的研究与报道集中在采用缓蚀 剂对腐蚀介质改性以及用冶金尧 金属表面改性和 热处理办法增强材料抗应力腐蚀的性能上袁 对于 防止造成 SCC 的一个重要因素应力的产生少有报 道遥 本文试图从锅炉压力容器的工艺和结构入手袁 进行去应力结构和工艺设计袁 消除或减小构件的 拉应力袁从而消除或减少 SCC遥此外袁应力水平降低 了袁也就减轻了对材料的结构尺寸和性能的要求袁 从而减少钢耗或可使用中低性能钢袁 设备成本随 之降低遥

1 去应力运行工艺设计 有些设备的结构应力与其运行工艺有关遥 例 如管壳式换热器袁换热两介质分别走管程和壳程袁 管壳程的压力尧温度尧强度的不同导致管板承受不 同的应力遥 若壳程压力尧温度尧强度分别大于管程 压力尧温度袁则管板承受压应力和向内渊换热区冤的 弯曲应力袁反之袁管板将承受拉应力和向外的弯曲 应力遥 当然还存在其它几种工艺组合及相应的应 力情况遥 在管板承受拉应力时袁换热管也将承受拉 应力袁这时袁无论是管内还是管外袁若存在合适的 腐蚀性换热介质袁 而且换热管材料是对腐蚀性介 质极其敏感的材料袁 换热介质又存在汽液两相分 界面袁再加上合适的浓度与温度袁换热管在汽液两 相分界面就会发生 SCC [3] 渊这与后述的 LHS 燃油 渊气冤蒸汽锅炉烟管的碱脆是极其相似的冤遥 即使不 存在汽液两相分界面袁 在管与管板连接处无论是 胀接还是焊接或胀焊结合袁总存在多种应力渊胀接 应力尧焊接应力尧管壳程应力尧温差应力尧应力集 中冤尧温度尧介质等多种因素遥 在这些因素的综合作 用下袁不可避免地在连接处产生缝隙尧腐蚀性介质 的浓缩与聚积并发生 SCC[4袁5] 遥 因此袁若合理设计管 壳程的介质尧压力尧温度尧强度及管束布置袁使管壳 程压力趋于均衡袁 控制应力使其处在 SCC 临界应 力之下袁定能减少 SCC 事故遥 如此袁在设计运行工 艺时袁可通过调整工艺参数如管尧壳程压力尧温度 乃至互换管壳程介质袁 以达到消除或降低应力的 目的遥 另外袁由于在换热器中管板所处的工况最为 恶劣袁 在常规设计中总是以提高管板的厚度和采 用高性能材料来增强和保证管板抵抗应力和应变 的能力遥 若通过运行工艺设计降低应力水平袁改善 管板工况袁则可降低高性能材料的消耗袁从而降低 成本尧提高效益遥 当然袁不能为了单纯降低应力水平而牺牲其它 安阳工学院学报

2012 年 安阳工学院学报

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2012 年 工艺参数袁 例如换热效率及一些按照运行工艺不 能随意变更的参数指标遥 运行工艺本身是一个复 杂的系统工程袁 也不可能通过调整几个工艺参数 就能一蹴而就解决去应力问题遥 去应力设计除了 牵涉运行工艺外袁还与材料供应与选择尧结构和强 度设计尧设备制造尧贮运和安装尧使用与维护等多 个环节有着密切的关系遥 这就需要站在系统工程 的高度袁综合考虑多种因素袁或者以设备的制造成 本为目标函数袁或者以换热效率为目标函数袁或者 以应力应变为目标函数袁 或者以多个因素为多目 标函数渊不同的设备目标函数可能也不同冤袁而以 强度尧可靠性尧应力水平和必要的工艺参数为约束 函数进行优化设计求得结构尧 制造和其它工艺参 数袁从而最优化解决去应力问题遥

2 去应力结构设计 2.1 去应力结构设计原则 在进行结构设计时袁尽量使应力分布均匀袁避 免局部应力集中遥 例如袁不等壁厚的连接应采用缓 慢过渡连接袁 对于卧式设备的开孔和焊缝应避开 可能产生拉应力处袁 对于立式设备尽量不采用悬 挂式支座或塔接式裙座遥 结构设计中还应尽量避 免缝隙和可能造成腐蚀液残留的死角遥 因为缝隙 和死角的存在袁为有害物质(如C1- 尧OH- )的浓缩提 供了条件袁使缝隙中有害物质浓度高于临界浓度袁 从而在电化学方面满足了应力腐蚀条件袁 因此焊 缝结构应设计成全焊透结构遥 此外袁换热器管与管 板的连接应尽量采用胀焊并用结构遥 2.2 锅炉去应力结构设计 锅炉在内压以及热应力尧 焊接残余应力等的 作用下袁会具备一定水平的拉应力条件遥 锅炉常见 的应力腐蚀为碱脆遥 由于锅炉在运行前一般都需要用碱液进行煮 炉,以及锅水经过离子交换后仅除去了给水的硬度 并未能使给水的碱度和相对碱度达到合理值袁再 加上使用者的不合理操作袁 因此从一开始锅水的 碱度和相对碱度就严重超标遥 通过合理的结构设 计袁 消除产生碱脆的应力条件和锅水碱浓缩的条 件袁即使存在锅水超标袁也可有效避免碱脆,也即通 过去应力结构设计实现应力预防遥 以某台 LHS 燃油渊气冤蒸汽锅炉为例袁如图

1 所示遥 燃烧器置于锅炉中部(炉胆体上部)袁燃烧火 焰烟气经辐射换热后流到转烟室袁 然后经烟管对 流换热后排出炉外遥 烟管没有全埋于水中袁上部有 一部分裸露于蒸汽之中遥 锅炉投入运行前按使用 说明书先加碱煮炉袁煮炉液为 NaOH尧NaPO4 碱液袁 煮炉后排去碱液袁 但未进一步用清水清洗锅炉去 除残留碱液物遥 锅炉投入运行近六个月时袁从烟管 出口处冒出大量水汽遥 经查袁是烟管发生了破裂遥 经过分析袁确认碳钢烟管的破裂是在经过了碱 腐蚀和氧腐蚀作用后烟管腐蚀坑处产生应力集中 及承载面积减小袁 最终在工作压力产生的拉应力 和NaOH 腐蚀介质共同作用下而导致脆性断裂袁属 于应力腐蚀断裂中的碱脆遥 原因在于院一是使用者 在使用尧维护锅炉过程中未或未完全按规范执行袁 致使在升炉前锅水就存在腐蚀性介质及碱度和相 对碱度严重超标曰 二是该锅炉结构存在先天性缺 陷袁纵贯锅炉的烟管虽方便了制造袁但造成烟管承 受拉应力袁最严重的是烟管存在汽水分界面袁致使 烟管既得不到有效利用又造成了腐蚀介质的高度 浓缩遥 图1发生烟管破裂的锅炉结构示意图 渊3.烟管 B.汽水分界面冤 由于使用此类锅炉的单位通常规模较小袁资金 有限袁生产规模偏低袁业主对锅炉安全技术知识的 不了解及对安全生产认识上的不足袁 致使严格执 行国家规范有一定的难度遥 这是笔者提出进行去 应力设计的一个客观原因遥 锅炉压力容器的主要 材料是碳钢或低合金钢袁金属的碳含量在 0.001豫耀 0.25豫范围时易产生碱脆袁低压锅炉压力容器的换 热管基本是

10 或20 无缝钢管袁是典型的低碳钢袁 碳含量恰就在此范围袁 是对发生碱脆极其敏感的 材料遥 采用高强钢替代低碳钢和低合金钢更增加 了SCC 的倾........