换热器膨胀节爆裂失效分析研究
[摘 要] 对某在役换热器膨胀节爆裂现象进行了研究，以现场开裂断口进行分析，结合膨胀节标准进行强度校核，查找膨胀节开裂的原因，并对断口处的铁素体含量进行测试，排除疲劳破坏的可能，最终确定为膨胀节因轴向位移产生的组合应力过大，并存在应力腐蚀环境，导致膨胀节被拉伸“脆断”。通过对换热器膨胀节爆裂失效分析的研究，为设计人员在今后的设计过程中提供参考，避免同类事件再次发生。
[关键词]膨胀节；开裂；轴向位移
1 问题描述
某换热器的设计，管壳程材料均为S32168不锈钢，金属平均壁温相差较大，存在较大的温差应力，为保证换热管与管板的连接强度，避免换热管失稳，设计者在壳程设置膨胀节以降低温差应力的影响，设计参数如表1所示，该换热器在使用不到半年突然出现膨胀节波峰爆裂现象，如图1、图2所示。
表1 主要设计参数
管程/壳程设计压力 MPa | 3.6MPa/3.4MPa | 管程/壳程筒体和封头材料 | S32168/ S32168 |
管程/壳程设计温度 ℃ | 320℃/400℃ | 换热管材料 | S32168（GB13296） |
储存介质 | H2、H2S | 膨胀节名义厚度 mm | 14 |
腐蚀裕量 mm | 0 | 管程/壳程金属平均壁温 ℃ | 266/336 |
设备内径 mm | 650 | 换热管规格 mm | Φ25×2×4500 |
2 开裂原因分析
膨胀节爆裂使生产被迫停止，迫切需要查找膨胀节失效的原因，为后续的改造提供依据。初步判断可能是实际工况超载，计算工况与实际不符导致开裂，也可能是因介质中含有H2S，导致H2S应力腐蚀开裂，也有可能是因热应力疲劳，导致波峰开裂等。具体开裂原因，本文根据介质特性、膨胀节制造、强度校核等方面进行分析查找，重点考虑以下几个方面：
2.1应力腐蚀开裂
应力腐蚀开裂的必要条件是要有拉应力和特定的腐蚀介质存在，裂纹的形成和扩展大致与拉应力方向垂直。腐蚀和尖角损伤是裂纹产生的根源，在拉应力的作用下，裂纹会不断扩展，最终在应力较高的缺口处产生断裂。因壳体介质含有H2和H2S，氢原子渗透到钢的内部，溶解在晶格中，容易产生脆性断裂行为。硫化物应力腐蚀开裂通常发生在高强度、低韧性的部位，这些部位表现为具有高硬度值，H2S浓度越高，产生开裂的敏感性越大。通过对开裂处进行检查，膨胀节波峰内侧，可见点蚀、微小的麻蚀等腐蚀现象发生。
2.2疲劳开裂
从膨胀节开裂的形状看，因管壳程温差的影响，会有温差的波动，有疲劳开裂的可能。但从计算书中疲劳次数的校核看，设计疲劳次数能够满足许用循环次数的要求，而且不锈钢耐疲劳能力要远超过碳钢。疲劳断裂的宏观断口由两部分组成，即疲劳裂纹的策源地及扩展区（光滑部分）和最后断裂区（粗糙部分），从断口来看，没有明显的疲劳开裂的特征。
图1：
图2：
2.3膨胀节的制造
本设备的膨胀节并非设备制造厂商压制成型，而是根据GB16749-1997《压力容器波形膨胀节》标准规范采购的ZD650-4.0-1×14×1型膨胀节。根据膨胀节制造商反馈，膨胀节采用冷压成型，成型后未做固溶热处理。而且爆裂后经测试，膨胀节在波峰处的壁厚仅有11.6mm，未见明显的拉伸塑性变形，壁厚测试见图3所示。
图3：
经测试，膨胀节在波峰处的铁素体含量达到45%左右，在波峰处的硬度在288HB左右，已经超过了正常值210HB的范围，加工过程中产生形变马氏体导致不锈钢膨胀节的硬度上升，塑性和韧性降低，加工残余应力未完全消除，硬度测试值如图4所示。
图4：
2.4应力强度分析
GB16749-1997《压力容器波形膨胀节》标准规范里对膨胀节的应力强度和疲劳循环次数进行了评定，标准中“6.2 应力计算”中给出了详细的计算步骤。通过查看本设备的计算书，发现在“壳程压力和热膨胀差”以及“管程压力和热膨胀差”两个工况作用下，膨胀节的轴向位移量较大，分别为5.59mm和4.1mm，轴向位移引起的膨胀节径向薄膜应力和径向弯曲应力的组合应力，分别为828MPa和607MPa，已经远远超出许用极限，因内压产生的薄膜应力和弯曲应力都较小。
通过计算可以看出，单波膨胀节因轴向位移产生过大的轴向弯曲应力和薄膜应力，一个波不能吸收如此大的变形量，应增加波数，降低膨胀节的应力和变形。设计者应根据计算的应力值，对膨胀节进行调整，降低过高的应力值。GB16749-1997《压力容器波形膨胀节》标准规范里对内压产生的径向弯曲应力和径向薄膜应力的组合应力进行评定，限制值为1.5倍的屈服强度，但未对轴向位移产生的径向弯曲应力和薄膜应力的组合应力进行限定。如果设备内压的影响很小，而热膨胀差的影响起决定作用，那么在组合应力评定过程中，应该对轴向位移产生的径向弯曲应力和薄膜应力的组合应力进行限定，限制值应为3倍的许用应力。按照JB4732-1995《钢制压力容器分析设计标准》的应力评定过程，应先保证薄膜应力满足强度要求，其次是薄膜应力加弯曲应力的组合满足强度要求，再次是薄膜应力、弯曲应力加二次应力的组合满足强度要求，在静强度满足要求的基础上，再进行疲劳强度的校核。可以看出GB16749-1997《压力容器波形膨胀节》标准规范对应力的评定不够严谨。对于膨胀节的应力校核，标准应增加成型前和成型后的应力计算，计算过程中应考虑腐蚀裕量和成型减薄量的影响。
3 总结
3.1根据断口分析和应力强度分析等多方面的研究，确定膨胀节爆裂失效是因热膨胀位移致使膨胀节轴向弯曲应力和薄膜应力的组合应力超标，引起的拉伸应力腐蚀“脆断”。
3.2不锈钢膨胀节冷压成型后，为避免奥氏体向马氏体转变，应进行固溶热处理，降低成型应变产生的硬度，提高膨胀节的塑性和韧性，提高吸收消化位移变形的能力。
3.3设计者应在图纸上对采购的膨胀节提出相关要求，比如刚度要求，固溶处理要求，无损检测要求，最小厚度要求，硬度要求等等，制造单位应对采购的膨胀节进行复验。
3.4换热器膨胀节的设计不仅要考虑内压、热膨胀带来的轴向位移的作用，管道的位移和推力对设备的移动和扭转也会有很大的破坏作用，还应考虑与设备连接的管道载荷推力的影响。3.5对于存在压力高，温差大，壁厚较厚的膨胀节，建议采用详细的应力分析技术进行模拟计算会更加安全可靠。
