Анализ причин возникновения проблем качества в U‑образных теплообменниках

I. Проверка, анализ причин и решения проблемы сплющивания U‑образных трубок

1. Анализ и обработка после формирования U‑образных труб методом U‑изгиба

A. Осмотр

После сгибания U‑образных труб визуальный осмотр показал, что у труб с меньшими радиусами изгиба наблюдается уплощение поперечного сечения и, в отдельных случаях, образование трещин в зоне изгиба.

B. Анализ причин

Из анализа, основанного на процессе деформации, очевидно, что при гибке труб наружная стенка нейтрального слоя подвергается растяжению и утончается, тогда как внутренняя стенка испытывает сжатие и утолщается. Кроме того, в случае U‑образных изгибов с малыми радиусами изгиба, при отсутствии соответствующих мер поперечное сечение в зоне изгиба деформируется до примерно эллиптической формы. В результате сжимающие напряжения во внутренней стенке превышают предел текучести материала, что приводит к сплющиванию U‑образной трубы и возникновению неустойчивости, проявляющейся в образовании складок.

C. Решение

A. Для U‑образных труб с радиусом изгиба, составляющим менее 2,5 номинального диаметра, во избежание сплющивания трубу перед изгибом следует упаковывать материалом, прошедшим просеивание, промывку и сушку и не содержащим грунта, железной стружки, других примесей и песка.

Б. Используйте ручной трубогиб, оснащённый динамометрическим ключом, и определяйте необходимое усилие гибки путём испытаний, исходя из предела текучести трубы и требуемого радиуса изгиба. Во время гибки закрепите неподвижное зажимное колесо (большее) на рабочем столе с помощью штифта или болта. С учётом эффекта возвратной упругой деформации после гибки установите радиус большого колеса на уровне 0,8–0,95 от заданного радиуса изгиба. Радиус подвижного зажимного колеса (меньшего) выбирайте в соответствии с минимальным радиусом изгиба U‑образной трубы, обеспечив свободное вращение малого колеса внутри рамы толкателя и исключив его заклинивание, которое может привести к сплющиванию трубы.

C. При гибке труб C‑образного сечения, ввиду относительно тонкой стенки, следует осуществлять локальный нагрев огнём кислородно‑ацетиленовой горелки в месте изгиба, чтобы минимизировать сплющивание. Во время нагрева необходимо не допускать превышения чрезмерно высокой температуры, поскольку это может изменить микроструктуру нержавеющей стали.

D. После снятия внешнего усилия с изогнутой трубы отвод восстанавливает свою первоначальную форму, возвращаясь на 3°–5°. Перед началом серийного гибки следует выполнить пробную гибку для определения точного угла обратного упругого восстановления трубы, что позволяет изготовить U‑образные трубы, соответствующие требуемым техническим характеристикам.

Е. После гибки труба подвергается испытанию на пропускание шара; как правило, диаметр шара составляет 0,75 от внутреннего диаметра трубы, при этом конкретные требования устанавливаются в соответствии с проектными спецификациями. Для U‑образных изгибов отклонение круглости не должно превышать 10% номинального наружного диаметра трубки теплообменника; для участков, подвергнутых гибке…

2. Анализ и устранение трещин в месте изгиба U‑образных труб

1. Инспекция

В ходе визуального контроля и гидростатических испытаний изогнутых участков U‑образных труб в группе 1 на изгибах труб были выявлены трещины.

2. Анализ причин

А. При нанесении блоков усиления сварных швов на U‑образные участки неправильная технология обработки подвергла материал гнутой трубы термическим и механическим напряжениям во время сварки, что привело к снижению стойкости зоны термического влияния к коррозии под напряжением и вызвало коррозионное растрескивание вдоль продольных кромок блока усиления.

B. На основании анализа трещинообразования в U‑образных трубках другого оборудования установлено, что при утонении верхней стенки U‑образной трубки с малым радиусом изгиба снижается её стойкость к коррозии под напряжением в процессе эксплуатации, что приводит к образованию трещин вследствие коррозии под напряжением.

C. Сталь 0Cr18Ni10Ti — это аустенитная нержавеющая сталь, стабилизированная титаном; после стабилизационной термической обработки она демонстрирует высокую стойкость к сенсибилизации и коррозионному растрескиванию под напряжением. В процессе сварки температура на концах труб значительно превышает температуру стабилизационной термической обработки, что неизбежно приводит к сенсибилизации материала в зоне сварного шва. Кроме того, после выполнения сварного соединения между трубами теплообменника и усилительными блоками не была проведена термическая обработка для снятия остаточных напряжений, что существенно повышает вероятность распространения межкристаллитных трещин.

3. Решение

A. Когда уменьшение толщины стенки при минимальном радиусе изгиба U‑образной трубки превышает 10% от первоначальной толщины стенки, трубу следует усилить путём увеличения её толщины стенки либо путём наварки усилительных накладок (как правило, применяют сварные усилительные накладки).

Б. Для усилительных блоков U‑образных труб следует применять точечную сварку, при этом сварочный ток должен быть примерно на 15% ниже, чем при обычной сварке. Для минимизации сенсибилизации в зоне термического воздействия следует использовать симметричные методы сварки.

C. Проанализировать рабочую среду и технологический процесс изготовления изгибов U‑образных труб, чтобы подтвердить соответствие выбранного способа производства.

D. Применение усилительных блоков с более подходящими размерами и конструктивными решениями позволяет уменьшить концентрацию напряжений в зоне термического влияния сварного шва.

E. После выполнения филе‑сварки трубы к укрепляющему блоку следует провести термообработку для снятия остаточных сварочных напряжений.

II. Проверка на утечки, их анализ и меры по устранению дефектов в соединении между U‑образными трубами и трубными досками

1. Инспекция

После завершения расширительной стыковки U‑образных труб в группе 1 гидравлическое испытание под давлением выявило протечки в местах расширенных соединений.

2. Анализ причин

A. Между трубной решёткой и трубами теплообменника отсутствует достаточная разница в твёрдости. Согласно соответствующим нормативным документам, при выполнении прочностной развальцовки твёрдость трубной решётки должна превышать твёрдость труб теплообменника как минимум на 30 единиц по шкале Бринелля. Проверка показала, что трубная решётка (из кованых заготовок марки 16Mn) в нормализованном состоянии обладает фактической твёрдостью всего 148–158 HB, тогда как трубы теплообменника из стали 0Cr18Ni10Ti в стандартном состоянии поставки (после растворного отпуска) имеют твёрдость 150–167 HB. Иными словами, трубы теплообменника оказываются твёрже трубной решётки. В результате, при пластической деформации труб во время развальцовки происходит деформация и самой трубной решётки. При таких условиях обеспечить надёжное качество соединения методом развальцовки по определению крайне сложно.

Б. Зазор между наружным диаметром U‑образных труб теплообменника и внутренним диаметром отверстий в трубной решётке рассчитан на величину 1 мм; однако на практике некоторые зазоры превышают 1,5 мм. Для обеспечения надёжного соединения труб с трубной решёткой посредством расширения трубы подвергаются значительной деформации; при этом, учитывая малую толщину стенки, чрезмерная деформация расширения легко может привести к растрескиванию труб.

C. Внутренние поверхности некоторых отверстий в трубных решётках характеризуются наличием заусенцев, пятен ржавчины, железной стружки, масляных загрязнений и других подобных дефектов.

D. Глубина и ширина канавок внутри отверстий трубной доски неоднородны, а на некоторых наблюдаются вертикальные царапины.

3. Решение

A. Повысить твёрдость трубной решётки. Согласно стандарту JB 4726‑94, твёрдость поковок из стали 16Mn в нормализованном состоянии составляет 121–178 HB. При применении соответствующих мер на предприятии изготовителе или непосредственно на месте эксплуатации твёрдость поковки в нормализованном состоянии можно довести до верхнего предела или близко к нему. Для аустенитных нержавеющих сталей твёрдость следует поддерживать ниже 150 HB, чтобы повысить надёжность компенсаторов.

Б. Полируйте отверстия трубок, на которых обнаружены заусенцы или пятна ржавчины.

C. В местах, где глубина и ширина канавок в отверстиях трубной решётки не соответствуют требованиям, используйте инструмент для обработки канавок, чтобы обработать их и удалить все царапины.

D. Рассчитайте коэффициент расширения на основе зазора между наружным диаметром U‑образной трубы и внутренним диаметром отверстий в трубной решётке, при этом обеспечив, чтобы коэффициент расширения составлял не менее 1,9%. В случаях, когда зазор превышает установленные пределы, нанесите эпоксидную смолу на отверстия трубной решётки; после достижения надлежащей адгезии вставьте трубы и приступайте к их расширению.

Е. Для выполнения соединений посредством расширения применяется электрический трубный расширитель, что позволяет снизить вероятность недостаточного и чрезмерного расширения U‑образных труб, возникающих при ручном расширении. После внесённых улучшений расширенные U‑образные трубы были подвергнуты гидростатическому испытанию, при котором на стыках расширения утечек не выявлено.