奧氏體不銹鋼的應(yīng)力腐蝕開裂05第一章 緒論

1、南京工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）第一章 緒論1.1 前言換熱器又稱熱交換器，是把熱量從一種介質(zhì)傳給另一種介質(zhì)的設(shè)備。它是化工、石油、食品、能源、制藥、機(jī)械及其他許多工業(yè)部門廣泛使用地一種通用設(shè)備。換熱器不僅是保證某些工藝流程和條件的設(shè)備，也是開發(fā)利用工藝二次能源，實(shí)現(xiàn)余熱回收和節(jié)能的主要設(shè)備1。換熱器的作用可以是交換熱量，即在確定的流體之間，在一定時(shí)間內(nèi)交換一定數(shù)量的熱量；也可以以回收熱量為目的，用于余熱利用；還可以是以保證安全為目的，即防止溫度升高而引起壓力升高造成某些設(shè)備被破壞。1.2 換熱器的分類由于各種換熱器的作用、工作原理、結(jié)構(gòu)以及其中工作的流體種類、數(shù)量等差別很大，因此，為研究和

2、討論方便，按照換熱器的共同特性加以分類，分類方法有很多2。1.2.1按用途分類（1）加熱器 加熱器是把流體加熱到必要的溫度，但加熱流體沒有發(fā)生相的變化，加熱介質(zhì)有水蒸氣、導(dǎo)熱油、熔鹽等。（2）預(yù)熱器 預(yù)熱器預(yù)先加熱流體，為工序操作提供標(biāo)準(zhǔn)的工藝參數(shù)。（3）過熱器 過熱器用于把流體（工藝氣或蒸汽）加熱到過熱狀態(tài)。（4）蒸發(fā)器 蒸發(fā)器用于加熱流體，達(dá)到沸點(diǎn)以上溫度，使其流體蒸發(fā)，一般有相的變化。（5）冷卻器 冷卻工藝物流的設(shè)備，冷卻劑有水、氨和氟利昂等。（6）再沸器 用于蒸發(fā)蒸餾塔底部的物料設(shè)備。（7）冷凝器 蒸餾塔頂物流的冷凝或者反應(yīng)器循環(huán)回流的設(shè)備。1.2.2 按作用原理或傳熱方式進(jìn)行分類3（

3、1）直接接觸式換熱器直接接觸式換熱器如圖1-1所示，它是利用冷、熱流體直接接觸，彼此混合進(jìn)行熱量交換的換熱器。直接接觸式換熱器具有傳熱效率高、單位容積提供的傳熱面積大、結(jié)構(gòu)簡單和價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，但是僅適用于工藝上允許兩種流體混合的場合。圖1-1 直接接觸式換熱器（2）蓄熱式換熱器蓄熱式換熱器如圖1-2所示，它是借助于由固體（如固體填料）構(gòu)成的蓄熱體與冷、熱流體交替接觸，把熱量從熱流體傳遞給冷流體的換熱器。蓄熱式換熱器結(jié)構(gòu)緊湊、價(jià)格便宜和單位面積傳熱面大，故較適用于氣-氣熱交換的場合。圖1-2 蓄熱式換熱器（3）間壁式換熱器間壁式換熱器是利用間壁（固體壁面）將進(jìn)行熱交換的冷熱兩種流體隔開，不相互

4、接觸，熱量由熱流體通過間壁傳遞給冷流體的換熱器。間壁式換熱器是工業(yè)中應(yīng)用最為廣泛的換熱器，其形式多種多樣，如工業(yè)中常見的管殼式換熱器和板式換熱器（如圖1-3）都屬于間壁式換熱器。圖1-3板式換熱器（4）中間載熱體式換熱器中間載熱體式換熱器是把兩個(gè)間壁式換熱器由在其中循環(huán)的載熱體連接起來的換熱器。熱載體在高溫流體換熱器和低溫流體之間循環(huán)，在高溫流體換熱器接受熱量，在低溫流體換熱器把熱量釋放給低溫流體。1.3 管殼式換熱器目前，在換熱器中應(yīng)用最多的是管殼式換熱器，如圖1-4，它是工業(yè)過程熱量傳遞中應(yīng)用最為廣泛的一種換熱器。雖然管殼式換熱器在結(jié)構(gòu)緊湊性、傳熱強(qiáng)度和單位傳熱面的金屬消耗方面無法與板式或

5、板翅式等緊湊式換熱器相比，但管殼式換熱器適用的操作溫度與壓力范圍較大，制造成本低，清洗方便，處理量大，工作可靠，長期以來，人們已在其設(shè)計(jì)和加工制造方面累積了許多的經(jīng)驗(yàn)，建立了一整套程序，可以容易地查找到其可靠地設(shè)計(jì)及制造標(biāo)準(zhǔn)，而且方便地使用眾多材料制造，設(shè)計(jì)成各種尺寸及形式，管殼式換熱器往往成為人們的首選4。圖1-4 管殼式換熱器1-管子；2-封頭；3-殼體；4-接管；5-管板；6-折流板 1.3.1基本類型根據(jù)管殼式換熱器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可分為固定管板式、浮頭式、U形管式、填料函式和釜式重沸器五類3。（1）固定管板式換熱器 固定管板式換熱器的典型結(jié)構(gòu)示意圖如圖1-5所示，管束連接在管板上，管板與

6、殼體焊接。其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，能承受較高的壓力，造價(jià)低，管程清洗方便，管子損壞時(shí)易于更換。缺點(diǎn)是當(dāng)管束與殼體的壁溫或材料的線膨脹系數(shù)相差較大時(shí)，殼體與管束將產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力。這種換熱器適用于殼程介質(zhì)清潔且不易結(jié)垢并能進(jìn)行清洗，管、殼程兩側(cè)溫差不大或溫差較大但殼程壓力不高的場合。圖1-5固定管板式換熱器1封頭；2法蘭；3排氣口；4殼體；5換熱管；6波形膨脹節(jié)；7折流板（或支持板）；8防沖板；9殼程接管；10管板；11管程接管；12隔板；13封頭；14管箱；15排液口；16定距管；17拉桿；18支座；19墊片；20、21螺栓、螺母 （2）浮頭式換熱器 浮頭式換熱器的典型結(jié)構(gòu)示意圖見圖1-6，兩

7、端管板中只有一端與殼體固定，另一端可相對自由移動，稱為浮頭。其優(yōu)點(diǎn)是管間與管內(nèi)清洗方便，不會產(chǎn)生熱應(yīng)力；但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價(jià)比固定管板式換熱器高，設(shè)備笨重，材料消耗量大，且浮頭端小蓋在操作中無法檢查，制造時(shí)對密封要求較高。適用于殼體和管壁之間溫差較大或殼程介質(zhì)易結(jié)垢的場合。圖1-6浮頭式換熱器1防沖板；2折流板；3浮頭管板；4鉤圈；5支耳（3）U形管式換熱器 U形管式換熱器的典型結(jié)構(gòu)示意圖如圖1-7所示。這種換熱器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是只有一塊管板，管束由多根U形管組成，管的兩端固定在同一塊管板上，管子可以自由伸縮。其結(jié)構(gòu)比較簡單、價(jià)格便宜，承壓能力強(qiáng)，適用于管、殼壁溫差較大或殼程介質(zhì)易結(jié)垢需要清洗，又不

8、適宜采用浮頭式和固定管板式換熱器的場合。特別適用于管內(nèi)走清潔而不易結(jié)垢的高溫、高壓、腐蝕性強(qiáng)的物料。圖1-7U形管式換熱器1中間擋板；2U形換熱管；3排氣口；4防沖板；5分程隔板（4）填料函式換熱器 填料函式換熱器的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1-8所示。這種換熱器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與浮頭式換熱器相類似，浮頭部分露在殼體以外，在浮頭與殼體的滑動接觸面采用填料函式密封結(jié)構(gòu)。因填料出易產(chǎn)生泄漏，填料函式換熱器一般適用于4MPa以下的工作條件，且不適用于易揮發(fā)、易燃、易爆、有毒及貴重介質(zhì)，使用溫度也受填料的物性限制，現(xiàn)已很少采用。圖1-8填料函式換熱器1縱向隔板；2浮動管板；3活套法蘭；4部分剪切環(huán)；5填料壓蓋；6填料；

9、7填料函（5）釜式重沸器 釜式重沸器結(jié)構(gòu)示意圖如圖1-9所示。這種換熱器的管束可以為浮頭式、U形管式和固定管板式結(jié)構(gòu)，所以它具有浮頭式、U型管式換熱器的特性。在結(jié)構(gòu)上與其他換熱器不同之處在于殼體上部設(shè)置一個(gè)蒸發(fā)空間，蒸發(fā)空間的大小由產(chǎn)氣量和所要求的蒸氣品質(zhì)所決定。此種換熱器清洗維修方便，可處理不清潔、易結(jié)垢的介質(zhì)，并能承受高溫、高壓。圖1-9浮頭式重沸器1偏心錐殼；2堰板；3液面計(jì)接口1.3.2 管殼式換熱器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)管殼式換熱器的主要零部件有殼體、接管、封頭、管板、換熱管、折流元件等，對于溫差較大的固定管板式換熱器，還應(yīng)包括膨脹節(jié)。管殼式換熱器的結(jié)構(gòu)應(yīng)保證冷、熱兩種流體分走管程和殼程，同時(shí)要

10、有承受一定溫度和壓力的能力4。流體流經(jīng)換熱管內(nèi)的通道及與其相貫通部分稱為管程；流體流經(jīng)換熱管外的通道及與其相貫通部分稱為殼程。管殼式換熱器的主要組合部件有前端管箱、殼體和后端結(jié)構(gòu)（包括管束）三部分5。（1）管程結(jié)構(gòu)a.換熱管在管板上的排列形式主要有正三角形、轉(zhuǎn)角正三角形、正方形和轉(zhuǎn)角正方形等，如圖1-10所示。正三角形排列形式可以在同樣的管板面積上排列最多的管數(shù)，故用得最為普遍，但管外不易清洗。圖1-10 換熱管常見排列方式注：流向垂直于折流板缺口b.管束分程管內(nèi)流體從換熱管一端流向另一端一次，稱為一程；對U形管換熱器，管內(nèi)流體從換熱管一端經(jīng)過U形彎曲段流向另一端一次，稱為兩程。最簡單最常用的

11、是單管程換熱器。c.管板的作用是排布換熱管，將管程與殼程的流體分開，避免冷、熱流體混合，同時(shí)受管程、殼程壓力以及溫差應(yīng)力的作用。由于溫度變化時(shí)會產(chǎn)生熱應(yīng)力，有時(shí)導(dǎo)致管板與換熱管在連接處發(fā)生損壞，因此，在滿足強(qiáng)度的前提下，應(yīng)盡量較少管板厚度。d.換熱管與管板連接換熱管與管板連接時(shí)管殼式換熱器事故率最多的部位，連接質(zhì)量的好壞直接影響換熱器的使用壽命3。換熱管與管板的連接方法主要有強(qiáng)度脹接、強(qiáng)度焊和脹焊并用。e.當(dāng)殼體直徑較大時(shí)，大多采用管箱結(jié)構(gòu)，它位于管殼式換熱器的兩端，它的作用是把從管道輸送來的流體均勻地分布給各個(gè)換熱管和把管內(nèi)流體匯集在一起送出換熱器。在多管程管殼式換熱器中，管箱還有改變流體流

12、向的作用。（2）殼程結(jié)構(gòu)殼程主要由殼體、折流板或折流桿、支持桿、縱向隔板、拉桿、防沖擋板、防短路結(jié)構(gòu)等元件組成。殼體一般是一個(gè)圓筒，在殼壁上焊有接管，供殼程流體進(jìn)入和排出之用。為防止進(jìn)口流體直接沖擊管束而造成管子的侵蝕和振動，在殼程進(jìn)口接管處常裝有防沖擋板，后稱緩沖板。折流板可以提高殼程流體的流速，增加湍流程度，并使殼程流體垂直沖刷管束，以改善傳熱，增大殼程流體的傳熱系數(shù)，同時(shí)減少結(jié)垢。防短路結(jié)構(gòu)為了防止殼程流體流動在某些區(qū)域發(fā)生短路，降低傳熱效率，常用的防短路結(jié)構(gòu)主要有旁路擋板、擋管、中間擋板。1.3.3 換熱器選型換熱器的作用不同，其設(shè)計(jì)、選型、運(yùn)行工況也各不相同。換熱器在設(shè)計(jì)或選型時(shí)應(yīng)滿

13、足以下基本要求：（1）合理地實(shí)現(xiàn)所規(guī)定的工藝條件；（2）結(jié)構(gòu)安全可靠；（3）便于制造、安裝、操作和維修；（4）經(jīng)濟(jì)上合理。1.4換熱器常見的失效形式換熱器使用過程中，由于振動、介質(zhì)與換熱器之間的磨損、腐蝕等各種原因，會發(fā)生泄漏、換熱能力下降等而失效。換熱器使用過程中常見的幾種失效形式如下所示。1.4.1換熱管與管板的連接處 換熱管與管板的連接方法主要有強(qiáng)度脹接、強(qiáng)度焊接和脹焊并用。（1）強(qiáng)度脹接強(qiáng)度脹接是為保證換熱管與管板連接的密封性能及抗拉脫強(qiáng)度的脹接。脹接適用于設(shè)計(jì)壓力4 MPa 、設(shè)計(jì)溫度300、無劇烈振動、無過大的溫度變化和無明顯的應(yīng)力腐蝕的場合。由于管子與管孔緊密貼合，可使管接頭減少

14、介質(zhì)腐蝕，且能承受拉脫力6。（2）強(qiáng)度焊接 強(qiáng)度焊接是指保證換熱管與管板連接的密封性能及抗拉脫強(qiáng)度的焊接7。焊接法加工簡便，連接強(qiáng)度好，在高溫高壓時(shí)也能保證連接處的緊密性與抗拉脫能力。當(dāng)連接處焊接之后，管子與管板中存在的殘余熱應(yīng)力與應(yīng)力集中，可能引起應(yīng)力腐蝕與疲勞損壞，使管子與管板連接處失效泄漏。（3）脹焊并用脹接與焊接方法都有各自的優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn)，而采用脹焊結(jié)合的方法，不僅能提高連接處的抗疲勞性能，還可消除應(yīng)力腐蝕和間隙腐蝕，提高使用壽命。另外脹焊結(jié)合，管程介質(zhì)對管板的傳熱面積比殼程介質(zhì)對管板的傳熱面積大許多倍，尤其是厚管板的情況6。當(dāng)密封性能要求較高、承受振動或疲勞載荷或有間隙腐蝕、

15、采用復(fù)合管板時(shí)，應(yīng)該選擇脹焊并用。換熱管與管板的連接處屬于幾何形狀突變處，換熱器在焊接、熱加工、熱處理時(shí)引起的材料殘余應(yīng)力、安裝時(shí)產(chǎn)生的裝配應(yīng)力、工作時(shí)管內(nèi)外壓力差及溫差作用而產(chǎn)生的機(jī)械應(yīng)力和熱應(yīng)力，以及由載荷、操作或振動等引起的附加應(yīng)力，換熱管與管板材料選擇的差異性等因素都可能產(chǎn)生拉應(yīng)力。在殼程流體的誘導(dǎo)振動和其腐蝕性的雙重作用下，管口與管板連接處便出現(xiàn)了應(yīng)力腐蝕開裂（如圖1-11）、縫隙腐蝕和振動疲勞破壞，而且它們之間的相互促進(jìn)，又進(jìn)一步加大了連接處的破壞速度。圖1-11 管板裂紋形貌管與管板連接部位是管束最薄弱的部位，管束中大多失效發(fā)生在其連接處。以下措施對提高連接處的使用壽命有一定的意

16、義。（a）連接方式采用先焊后脹的順序，并且采用機(jī)械液壓脹接，焊后要做相應(yīng)的熱處理。換熱管伸出管板的尺寸可以適當(dāng)加長。（b）換熱管的材質(zhì)與管板的材質(zhì)盡量匹配，這樣可以消除不同材料接觸所形成的電勢差，有利于從根本上控制管程和殼程的雙側(cè)腐蝕問題。同時(shí)換熱管材質(zhì)的硬度要低于管板材質(zhì)的硬度，使管板與換熱管的脹接得到最佳組合8。還有就是選擇合適的焊條進(jìn)行焊接。1.4.2 換熱管與折流板的配合處為了加工制造的方便和使用中能充分吸收換熱管的熱膨脹量，折流板與換熱管的配合處常留有一定的間隙。在殼程流體的沖擊下，此間隙逐漸加大，導(dǎo)致折流板切割換熱管，從而引起強(qiáng)大的振動噪音和換熱管的泄漏失效。這個(gè)間隙的存在還會使殼

17、程流體的流動變得更加復(fù)雜，影響換熱器的傳熱效率8。可采取以下措施進(jìn)行改善：（a）加工制造時(shí)盡量減小換熱管與折流板間的間隙；（b）折流板的材料不要選得過硬，以免短時(shí)間內(nèi)破壞換熱管；（c）可適當(dāng)增加換熱管的厚度，提高抗切割能力；（d）嘗試著在空隙處插入一種彈性很好的材料，這樣既吸收了熱膨脹量又隔開了折流板的切割作用。1.4.3管板與殼體連接處對于固定管板換熱器來說，管板與殼體的連接處也是很容易失效的。一方面是由于換熱器的殼體和管板在使用過程中承受著較大的溫差應(yīng)力和壓力載荷的作用，由于殼體溫度載荷高，徑向變形大，而管板溫度載荷低，徑向變形小，并且管板厚度大，抵抗變形的剛度也大，所以它對與管板連接地方

18、的殼體約束就大，限制了殼體在高溫載荷作用下引起的徑向膨脹，形成局部應(yīng)力集中；另一方面固定管板換熱器管板與殼體的連接采用的是焊接結(jié)構(gòu)，由于其幾何尺寸的突變，抵抗應(yīng)力的能力也存在著很大的差異，再加上溫度及壓力載荷的突變，所以在此處會形成局部應(yīng)力集中， 在壓力載荷等因素的作用下，可能發(fā)生斷裂破壞9。管板和殼體之間不均勻的溫度分布和管板具有較大的剛度，是引起結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中的主要原因。因此，在滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的前提下，可以考慮適當(dāng)降低管板的厚度。1.4.4 U形管彎管處由于U 形管制造時(shí)存在著塑性變形， 以致彎管處產(chǎn)生較大的殘余拉應(yīng)力。同時(shí)，兩直管段不均勻的熱變形又提供了溫差應(yīng)力，兩個(gè)應(yīng)力互相疊加，便在彎管處

19、形成很大的拉應(yīng)力。在介質(zhì)的腐蝕、彎管處彎曲振動與扭曲振動的作用下，形成了對彎管處影響很大的疲勞腐蝕破壞9。減輕其失效的方法有：（a）盡量增大U 形管的彎曲半徑，以便使其充分吸收熱應(yīng)力；（b）對彎管處做相應(yīng)的處理，以消除殘余應(yīng)力；（c）加大流體進(jìn)入殼體的面積，適當(dāng)降低流體的流速，從而降低管束的振動頻率；（d）增加換熱管（U 形段）厚度。1.4.5 小浮頭墊片的泄漏失效浮頭墊片內(nèi)漏的主要原因是由于使用過程中存在著溫差應(yīng)力。溫差應(yīng)力降低了小浮頭墊片的螺栓預(yù)緊力，并且小浮頭螺栓在使用過程中不能實(shí)現(xiàn)自緊密封，以致產(chǎn)生失效8。解決的辦法有：（a）盡量避免裝置在運(yùn)行過程中操作溫度和操作壓力的波動；(b）要充

20、分考慮溫度的影響，以防止墊片在高溫下發(fā)生蠕變和應(yīng)力松弛，使密封比壓下降，造成泄漏；(c）能用強(qiáng)度低的螺栓就不用強(qiáng)度高的，一味增加預(yù)緊力會使與其配合的相關(guān)部件變形, 使預(yù)緊力下降；(d）選用墊片時(shí), 要符合實(shí)際要求，能用墊片系數(shù)低的就不用系數(shù)高的。1.4.6 管束腐蝕、沖蝕和磨蝕失效管束腐蝕和磨蝕失效的主要原因有：1）流體的腐蝕和磨蝕；2）管內(nèi)壁有污物積累而發(fā)生局部腐蝕； 3）管端產(chǎn)生縫隙腐蝕等；4）流體出入殼程時(shí)對管束的沖蝕。管束失效往往是許多因素共同作用的結(jié)果；預(yù)防措施有：（a）對于可拆卸的管束要定期進(jìn)行清洗；（b）合理選擇管束材質(zhì)；（c）在流體入口設(shè)置過濾裝置和緩沖結(jié)構(gòu)等。1.4.7 傳熱

21、能力下降在換熱器運(yùn)行過程中，工作介質(zhì)中含有顆粒物、懸浮物可能都會在管束內(nèi)、外壁結(jié)垢，隨著垢層的增厚，傳熱熱阻很快增大，并且嚴(yán)重時(shí)污垢會使工作介質(zhì)流道阻塞，從而導(dǎo)致?lián)Q熱能力迅速降低9。預(yù)防的方法：（a）當(dāng)?shù)弥橘|(zhì)很容易結(jié)垢時(shí)，必須采用容易檢查、拆卸和清理的換熱器類型或換熱管排列結(jié)構(gòu)；（b）充分掌握易污部位、致污物質(zhì)及結(jié)垢程度，進(jìn)行定期檢查；可通過檢查流量、壓力和溫度等操作記錄來判定結(jié)垢情況。1.5 換熱器失效的原因1.5.1沉積物導(dǎo)致的電化學(xué)腐蝕若換熱管中的介質(zhì)流動不均勻或者不流動時(shí)，就會在換熱管上形成一定量的沉積物。而這些沉積物經(jīng)常是以馬蹄形的凹槽或者是深谷形狀存在，所以它就會沿著流體的流動方向流向金屬的表面。之所以會發(fā)生電化學(xué)腐蝕，就是因?yàn)榭p內(nèi)、外氧的含量存在一定的差異。其中包括:若是陽極氧化反應(yīng),就會導(dǎo)致金屬溶解；若是陰極還原反應(yīng)，就將物質(zhì)還原成了中性溶液或者是堿性溶液；與此同時(shí)，產(chǎn)生大量地腐蝕產(chǎn)物，致使縫內(nèi)、外化學(xué)成分極度的不均衡，進(jìn)而會導(dǎo)致更嚴(yán)重的腐蝕10。1.5.2 換熱管水側(cè)的腐蝕因?yàn)閾Q熱管的交換介質(zhì)往往是水，所以水對換熱管造成的腐蝕問題值得重視。發(fā)生腐蝕的原因是水的特性，即pH值過低、水汽滲透、含有一定的溶解氧以及含有一些有腐蝕性的陰離子(Cl-，S2-等)，進(jìn)而導(dǎo)致?lián)Q熱管發(fā)生電化學(xué)腐蝕。所以，預(yù)防換熱管腐蝕要求