盤管或排管的安全性分析
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熊從貴，何 靜，劉雪飛，宋玲麗
(臺州龍江化工機(jī)械科技有限公司，浙江溫嶺317500)
摘要：針對盤管或排管因塑性加工變形產(chǎn)生殘余應(yīng)力、結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理，產(chǎn)生附加應(yīng)力、焊接接頭質(zhì)量缺陷產(chǎn)生裂紋源和流體動能產(chǎn)生的應(yīng)力等問題，通過對盤管或排管的結(jié)構(gòu)設(shè)計、成形后的截面尺寸、焊接接頭質(zhì)量以及在特殊情況下發(fā)生的失效及其危害性進(jìn)行分析，提出了提高盤管或排管安全性能的措施。結(jié)果表明，增加焊接接頭的無損檢測，選取合適的介質(zhì)流速，提高柔性，在塑性變形后進(jìn)行熱處理，增加合適的壁厚加工減薄量和采用全焊透焊接結(jié)構(gòu)，能有效控制盤管或排管的安全性。
關(guān)鍵詞：盤管；排管；安全隱患；影響因素；安全性分析
中圖分類號：X945 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A doi: 10. 11731/j. issn. 1673-193x. 2015. 08. 028
Safety analysis on coil or calandria
XIONG Cong-gui, HE Jing, LIU Xue-fei, SONG Ling-li
(Taizhou Longjiang Chemical Machinery Science and Technology Co. , Ltd. , Wenling Zhejiang 317500, China)
Abstract: Aiming at the problems of coil or calandria such as residual stress caused by plastic processing deforma-tion, additional stress caused by unreasonable structure design, crack source caused by quality defect of welding joint and the stress caused by fluid kinetic energy etc, through the analysis on the structure design, section size af-ter forming, quality of welding joint and the failure and its hazard in special situations of coil or calandria, the countermeasures to improve the safety performance of coil or calandria were put forward. The results showed that the following measures can effectively control the safety of coil or calandria, including the addition of nondestructive testing on welding joint, selection of suitable medium velocity, improvement of flexibility, carrying out thermal treatment after plastic deformation, addition of suitable reduction quantity in wall thickness processing, and adop-
ion of full penetration welding structure etc.
Key words:coil; calandria; hidden trouble; influence factors;safety analysis
0 引言
盤管或排管都是熱交換元件，在過程裝備中廣泛應(yīng)用。盤管常用于熱交換量不大的場合，它一般不作為獨(dú)立的設(shè)備存在，而是與容器組合，如反應(yīng)釜的內(nèi)盤管、儲罐的內(nèi)加熱或冷卻盤管；排管常用于換熱量比較大的場合，它既可以與容器組合（如冷水箱的排管），也可以作為獨(dú)立的換熱設(shè)備（如冷庫的蒸發(fā)排管、淋水式冷凝器的排管）。
盤管或排管作為熱交換元件，其內(nèi)部都有流動的工作介質(zhì)，可能是高溫工況、高壓工況或者低溫工況，因此，盤管或排管在工作環(huán)境下都具有一定的危險性。按照《特種設(shè)備安全監(jiān)察條例》的定義，盤管或排管屬于壓力容器，但《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》和《壓力容器》規(guī)定的適用范圍不包括盤管或排管。目前，壓力容器的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中還沒有盤管或排管的設(shè)計規(guī)定，只在《壓力管道規(guī)范工業(yè)管道第3部分：設(shè)計和計算》中規(guī)定了彎管的強(qiáng)度計算公式。
1 盤管或排管的安全現(xiàn)狀
在《壓力容器》和《制冷裝置用壓力容器》適用范圍內(nèi)，盤管或排管既不屬于實(shí)施監(jiān)督檢驗(yàn)的壓力容器，也不屬于壓力管道范疇，甚至沒有產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)約束，這不利于盤管或排管的安全質(zhì)量管理，盤管或排管在實(shí)際工程應(yīng)用中有很多關(guān)鍵問題被忽視。
1.1 塑性變形
盤管或排管都是經(jīng)過塑性加工而成，盤管的彎曲半徑較大，且在彎曲過程中有一定的螺旋升角，而排管的彎曲半徑較小，且是平面彎曲。在加工過程中，原先的直鋼管產(chǎn)生塑性變形，鋼管的直徑和彎曲半徑?jīng)Q定了變形量的大小，鋼管直徑越大，或彎曲半徑越小，在彎曲變形過程中產(chǎn)生的塑性變形量就越大。如果盤管或排管是冷加工成形，且成形后沒有經(jīng)過熱處理時，鋼管會產(chǎn)生冷作硬化，鋼管塑性和韌性會降低，同時鋼管內(nèi)部產(chǎn)生加工殘余應(yīng)力，增加了鋼管脆性開裂傾向。
1.2結(jié)構(gòu)設(shè)計
盤管或排管的工作環(huán)境常存在內(nèi)外介質(zhì)溫差較大的情況，盤管或排管因溫差而產(chǎn)生膨脹或收縮。在熱交換狀態(tài)下，膨脹或收縮隨溫差交替進(jìn)行，長時間工作下盤管或排管可能進(jìn)入疲勞狀態(tài)。如果盤管或排管的結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理，還會產(chǎn)生額外應(yīng)力，如過多的約束，鋼管與支撐件之間采用焊接連接都會產(chǎn)生額外應(yīng)力。
1.3焊接
盤管或排管的對接接頭的焊接在工程上沒有引起足夠的重視，很多產(chǎn)品沒有采用全焊透的焊接工藝。接頭根部沒有全焊透，存在焊瘤、焊縫余高超標(biāo)，焊接接頭沒有采用有效無損檢測方法進(jìn)行檢測，在交變載荷工況、低溫工況下，這些缺陷往往是盤管或排管產(chǎn)生失效的根源。
1.4流體動能
排管是用180°的彎頭和直管連接而成，流體在排管內(nèi)流經(jīng)彎頭時，流動方向瞬間改變，流速發(fā)生變化，流體的內(nèi)部應(yīng)力增加。根據(jù)流體一固體耦合原理，流體邊界應(yīng)力同彎頭內(nèi)壁應(yīng)力相同，由流體速度梯度引起的彎管應(yīng)力增加。彎頭的彎曲半徑越小，由流體速度梯度引起的彎管應(yīng)力越大。目前的排管彎頭只考慮了流體靜壓力的作用，沒有考慮流體動能的影響。
2 盤管或排管的強(qiáng)度計算
按文獻(xiàn)[6]規(guī)定，鋼管內(nèi)壓設(shè)計時的強(qiáng)度計算公式為
假定鋼管在彎曲時中軸線的長度不變化，則外側(cè)受拉，內(nèi)側(cè)受壓。再假設(shè)鋼管在彎曲時，金屬材料沒有圓周方向的流動，根據(jù)物質(zhì)等量原理，即鋼管的金屬質(zhì)量和體積都沒有變化，則外壁拉伸后鋼管壁厚變薄，內(nèi)壁受壓縮后壁厚增厚。理論上最薄點(diǎn)為A點(diǎn)，最厚點(diǎn)在D點(diǎn)，B、C點(diǎn)的壁厚沒有發(fā)生變化。鋼管在實(shí)際彎曲過程中，鋼管橫截面可能出現(xiàn)如圖2所示的橢圓形狀，彎管橫截面產(chǎn)生的橢圓引起二次應(yīng)力，因此彎管的受力情況十分復(fù)雜，要從理論上推出其強(qiáng)度計算公式比較困難。工程上常采用控制彎管橢圓度的方法來保證彎管強(qiáng)度計算存在的誤差，工程上一般將承受內(nèi)壓的彎管不圓度u控制在8%以內(nèi)，彎管不圓度的計算公式為，Dmax、Dmin分別為同一截面的最大、最小實(shí)測外徑，mm。同時，要注意彎制鋼管的坯料厚度，確保彎管成品的厚度滿足設(shè)計要求，這點(diǎn)在彎管的設(shè)計參數(shù)較高時需要特別重要。
3 盤管或排管安全性的影響因素
盤管或排管的安全性不只是強(qiáng)度計算這個單一的問題，還受到諸多因素的影響，在不同的具體情況下正確分析，提出相應(yīng)的解決措施，才能確保盤管或排管的安全。
3.1 結(jié)構(gòu)尺寸
作為熱交換元件的盤管，當(dāng)介質(zhì)溫差較大時，盤管因熱脹冷縮會產(chǎn)生位移，這時設(shè)計盤管的支撐時應(yīng)使盤管具有足夠的柔性，避免設(shè)置過多的約束，從而避免產(chǎn)生附加應(yīng)力。同時盤管與支撐件之間不能直接焊接，應(yīng)使用U型螺栓固定，避免盤管因長時間周期性的位移使盤管與支撐件之間的焊點(diǎn)產(chǎn)生疲勞而發(fā)生失效。在設(shè)計排管時，如果條件允許應(yīng)選擇較大的彎曲半徑，以減少鋼管因彎曲產(chǎn)生的變形量，從而降低彎管成形后的殘余應(yīng)力。同時還能降低流體在通過彎管時產(chǎn)生的速度梯度，從而降低彎管應(yīng)力。在冷庫制冷裝置中，通常認(rèn)為彎管的彎曲半徑R大于3.5倍鋼管外徑時，彎管的加工殘余應(yīng)力和流體的速度梯度是可以接受的。
3.2截面尺寸
鋼管在彎曲過程中，截面尺寸可能發(fā)生變化，如圖2所示，鋼管的截面可能呈橢圓形狀，且隨著彎曲半徑的不同，鋼管彎曲的外側(cè)壁厚會有不同程度的減薄，內(nèi)側(cè)壁厚會有不同程度的增厚。文獻(xiàn)[10]介紹了變壁厚橢圓形彎管的應(yīng)力計算公式，并得出在內(nèi)壓作用下，彎管的軸向應(yīng)力相同，在彎管截面A點(diǎn)處存在最大周向應(yīng)力，B點(diǎn)和C點(diǎn)處的次之，D點(diǎn)處周向應(yīng)力最小，且彎曲半徑越小，應(yīng)力就越大。同時橢圓彎管在內(nèi)壓作用下有“趨圓”現(xiàn)象，彎管內(nèi)存在二次彎曲應(yīng)力，在非均勻壁厚情況下，應(yīng)力分布更為復(fù)雜。因此，在工程應(yīng)用中，必須嚴(yán)格控制彎管的不圓度。
3.3焊接
盤管或排管的接頭焊接質(zhì)量不僅受焊工技能的影響，也受焊接工藝的影響，制訂合理的焊接工藝是保證焊接質(zhì)量的基本要求。采用全焊透的單面焊雙面成形的焊接工藝及焊縫表面質(zhì)量的控制，對盤管或排管的焊接質(zhì)量至關(guān)重要。由于盤管或排管不接受監(jiān)督檢驗(yàn)，施工單位常常放任焊接質(zhì)量，疏于管理。在盤管或排管的焊接中，出現(xiàn)的未焊透、焊瘤、焊縫余高超標(biāo)，對盤管或排管的安全是致命的。未焊透為開口性缺陷，會產(chǎn)生附加彎曲應(yīng)力，是產(chǎn)生裂紋的根源，同時還減少了焊縫的承載面積，導(dǎo)致承載能力降低。未焊透、焊瘤、焊縫余高超標(biāo)等造成的不連續(xù)結(jié)構(gòu)，破壞了應(yīng)力均勻分布，產(chǎn)生應(yīng)力突變，導(dǎo)致應(yīng)力集中，降低疲勞強(qiáng)度。
4 盤管或排管失效的危害性分析
4.1 盤管
盤管一般不是作為一個獨(dú)立的設(shè)備，而是作為設(shè)備的組成元件，用來加熱或冷卻另一種介質(zhì)。盤管內(nèi)外的介質(zhì)通常是不同的，盤管內(nèi)的介質(zhì)常見有水、水蒸汽等，而化學(xué)工業(yè)中的某些介質(zhì)是嚴(yán)禁與水接觸的，否則會產(chǎn)生嚴(yán)重的后果。如連二亞硫酸鈉，屬于一級遇濕易燃品，與水接觸會產(chǎn)生強(qiáng)烈的化學(xué)反應(yīng)，釋放出大量的熱量并燃燒；二乙基鋅遇水發(fā)生激烈反應(yīng)，分解產(chǎn)生乙烷并著火；干燥的氯化氫氣體對鋼鐵的腐蝕輕微，但是與水接觸會生成鹽酸，對鋼鐵腐蝕嚴(yán)重；濃硫酸對鋼鐵具有很好的耐腐蝕性，但與水接觸被稀釋后對鋼鐵的腐蝕性很大；盤管內(nèi)的水蒸汽與液化氣體直接混合，會導(dǎo)致液化氣體溫度急速上升，壓力急劇升高，導(dǎo)致設(shè)備產(chǎn)生超壓的危險。
4.2排管
大量的排管常見于冷庫，是兩根獨(dú)立的集管與很多U形鋼管焊接組成的空氣熱交換器。一組排管的容積一般在0.2~1.0m3不等，排管內(nèi)的介質(zhì)一般為液氨，排管內(nèi)的液氨充裝量約為全容積的30%，一旦某組排管發(fā)生泄漏，即使切斷供液閥，也只能讓排管內(nèi)的全部液氨泄漏殆盡，無法終止。氨具有強(qiáng)烈的刺激性氣味，對人體的眼、鼻、喉等具有刺激作用，吸人大量氨氣可造成短時鼻塞，并造成窒息。每單位體積的液氨能擴(kuò)散成約70倍體積的氨氣，危害范圍較廣。
因此，無論是作為設(shè)備組成元件的盤管，還是作為獨(dú)立設(shè)備的排管，雖然它的容積較小，但是在一些特殊的場合，還是應(yīng)該重視它的安全性。
5 提高盤管或排管安全性能的措施
1)在條件允許的情況下采用較大的彎曲半徑，用于工作壓力較高、工作溫度較低或存在應(yīng)力腐蝕的工況，鋼管彎曲產(chǎn)生的變形率較大時應(yīng)進(jìn)行成形后的恢復(fù)力學(xué)性能熱處理，一般碳鋼和低合金鋼的變形率超過5%或奧氏體不銹鋼的變形率超過15%時應(yīng)考慮。
2)結(jié)構(gòu)設(shè)計時避免過約束，提高盤管或排管的柔性，避免因過約束產(chǎn)生附加應(yīng)力。
3)設(shè)計人員應(yīng)充分了解盤管或排管內(nèi)、外介質(zhì)的危害程度，以及內(nèi)、外介質(zhì)混合后可能發(fā)生的危害程度。對介質(zhì)危害程度較高的，對接接頭應(yīng)全部進(jìn)行射線檢測，提高焊接接頭的安全性能。
4)加工時應(yīng)根據(jù)成形工藝考慮鋼管的減薄量，確保鋼管成形后的最小厚度能夠滿足設(shè)計要求。
6結(jié)論
1)設(shè)計時須了解介質(zhì)特性，應(yīng)特別注意內(nèi)外的介質(zhì)混合時可能產(chǎn)生的危害。對具有該類風(fēng)險的盤管或排管，在設(shè)計時應(yīng)對焊接接頭提出無損檢測方法、檢測比例及合格級別等要求。
2)設(shè)計時須選取合適的介質(zhì)流速，以減小因速度梯度引起的應(yīng)力。對盤管或排管彎曲半徑較大的可以在允許范圍內(nèi)選取較大的介質(zhì)流速；反之，則應(yīng)選取較小的介質(zhì)流速。
3)設(shè)計時，應(yīng)使盤管或排管具有足夠的柔性，避免產(chǎn)生附加應(yīng)力。盤管或排管固定時采用U型螺栓固定，而不采用焊接固定；選用較大的彎曲半徑等。
4)制造時對塑形變形較大的且用于壓力較高、溫度較低或存在應(yīng)力腐蝕工況的盤管或排管，應(yīng)在塑性加工后進(jìn)行恢復(fù)材料力學(xué)性能的熱處理，減少因材料塑性加工導(dǎo)致的力學(xué)性能下降或因塑性加工產(chǎn)生的冷作應(yīng)力。
5)制造時，因根據(jù)加工工藝預(yù)計盤管或排管的壁厚減薄量，合理增加盤管或排管加工前的坯料厚度，保證盤管或排管加工成型后的厚度能滿足設(shè)計厚度的要求。
6)制造時，盤管或排管的對接接頭必須采用單面焊雙面成型的全焊透工藝，確保焊接結(jié)構(gòu)連續(xù)，減小焊接結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的應(yīng)力集中。
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