管壳换热器换热管失效分析.pdf

2023No9(上)设备管理与维修诊断技术177吴建卿编辑管壳换热器换热管失效分析王军1,吕林君,王良初,陆水龙1（1.绍兴市特种设备检测院，浙江绍兴3 12 0 7 1;2.浙江新和成特种材料有限公司，浙江绍兴312369)摘要：换热管失效是换热器常见的损坏形式。通过对一起管壳换热器换热管开裂分析，得出流体诱发振动是产生本次事故的主要原因。根据振动产生原因，提出解决流体诱发振动的应对措施。关键词：换热器；流体诱发振动；振动分析；失效分析中图分类号：TQ051文献标识码：BDOl:10.16621/ki.issn1001-0599.2023.09.710引言换热器是在不同温度的两种或两种以上流体间实现热量传递的一类容器。其中，管壳式换热器又称列管式换热器，是以实际运行状况。3.2高清工业视频内窥镜诊断技术高清工业视频内窥镜诊断技术可快速、准确地将插人管末端导人狭小复杂的物体内部进行检查，监视和测量轧机减速机旋转过程中齿面啮合情况，识别齿面是否剥落、点蚀、裂纹等问题。探头在任何弯曲状态下保持3 s可自动锁定，锁定后开启定点记忆功能，再操作摇杆时探头将以锁定时的角度为轴心进行小幅度调整，不仅使检测更精准、无需开盖，还大大减少作业时间。3.3机械故障听诊器技术它能迅速测出各种轴承运转状态、快速判别发出的机械杂声，对发出的异常噪声和杂声进行鉴别，并准确找出故障的部位，从而避免事故发生。封闭在壳体中管束的壁面作为传热面的间壁式换热器。这种换热器结构较简单，操作可靠，可用各种材料制造，能适应各种复杂工况和工艺过程的使用，是目前化工企业生产中应用最广泛检测杂质，分析颗粒大小和重量趋势，了解齿轮啮合劣化趋势和齿轮油更换标准（原油样铁含量限值0.0 5%）。（3 磁性净化。通过将磁铁焊接圆钢制作铣床工具，用于对现场减速机底部杂质进行检测和清理。同时运用市场上的全颗粒净油器，将其放人稀油泵站底部，能高效去除零件磨损产生的颗粒，有效降低在用齿轮油的污染度，阻止磨粒造成的二次磨损，从而延长零部件使用寿命。4效果2022年2 月7 日低速挡位设备速度趋势分析：齿轮箱各测点速度趋势显示1轴输出轴端A测点速度总值较高，振动高点可达8.4 2 7 mm/s，维护后恢复至1.3 mm/s左右。通过幅值和图谱变化，有效验证设备检修前后运行状态，并对检修质量进行验收。16.3342022/01/1407:3551,8.427mm/s维护前8.4 2 7 mm/s10s/uw5维护前1.2 0 3 mm/s-1.17412-1412:1112-2700:00010300:0001-1000:0001-1700:0001-2400:0001-3100:0007-0700:0002-14.00:0002-2100:000308:08:23图111#轴输出轴端A测点的速度趋势（2 10 0 0）3.4油液分析技术长期使用后，齿轮油很难达到相关标准要求，因为油液中已经存在很多的铁屑颗粒，会造成齿轮齿面和轴承辊道面点蚀、剥落。一套完整的减速箱齿轮油管理方法主要由3 个环节组成。（1)外观检查标准。通过现场齿轮油多次采样，对比油液颜色、透明度等外观，形成该标准，每季度进行对标检查。(2)灰分试验和铁含量检测。因齿轮油黏度过高，将其与基础油混合过滤，再将铁含量为检测灰分后残渣，用稀盐酸溶解后，用分光光度法检测出结果，换算成原齿轮油样中的铁含量。通过过滤通过诊断技术的运用，除了增加专业诊断工具和振动分析振动分析之外，瞬时指标的报警进人集控调度中心。集控中心进行调度，实现报警、调度、停机、检查等快速反应机制，杜绝减速箱运行过程中突发性故障，将减速箱故障消灭在萌芽状态。参考文献1胡炼，张郡，苏志忠.2 3 M840挤压机组齿轮泵减速箱振动分析及处理措施J.中国设备工程,2 0 17(2 3）：16 7-16 9.2023No9(上)设备管理与维修诊断技术178的类型。由于换热器的工况多种多样，换热器失效时有发生，对生产安全造成了一定的影响。管壳换热器规范以GB/T151一2 0 14 热交换器为基础，通常是以常规设计为主，设计资料一直未将管束振动等计算列人。但是，由于换热器发生管束振动，造成设备失效乃至停产停运的事故仍不时有报道。尤其是由于流体诱发振动引发的换热管破坏，成为常见的破坏原因，也是国内外研究的一个焦点。值得注意的是，在很多强化传热的研究中，换热管在适当范围内的振动可以造成一定的扰流作用，而最常用的方法就是增大介质的流速，有些采取减少固定约束，造成管束的振幅加大。但是，考虑到换热管是挠性部件，当壳程介质横流速度达到临界值，换热管就有产生共振的风险2,从而引起换热管的变形破坏等。管壳换热器中管束有成百上千个，破坏往往发生在局部，因此横流速度最大区域的管子，成为破坏的起点。因此在出现换热管破坏的案例中，需要特别注意这些区域的换热管。1故障概况1.33106一台管壳式换热器，型号为BEM800-21,换1.325热管成正三角布置（图1）。其主要技术参数见表1。表1换热器主要参数项目壳程管程工作压力/MPa1.31.3工作温度/310200介质导热油过热蒸汽、水主要材料S30408S30408产品标准GB/T151-2014热交换器该换热器投用6 个月之后，因厂内工艺需要，并联的同结构同参数的换热器停用。设备继续运行3 个多月之后，发现壳程导热油高位槽介质中产生白雾，初步判断导热油系统中有不明来源的带水汽介质混人。随即使用单位紧急停产，进行故障排查，发现有7根换热管开裂（图2）。随即对开裂的换热管实施抽管作业，进一步分析原因。2检测分析2.1外观检查将抽出的换热管进行外观检查，7 根管子均产生1条贯穿的裂纹，成不规则环状，分布于换热管的端部，其位置距离下管板内侧约10 cm。靠近裂纹端部，可见长度2 2 2 5mm粗短节，其长度与管板厚度相同，系采用胀管工艺产生的正常塑性变形。个别裂纹闭合，肉眼难以识别，在拉弯作用下才可分辨辩开口。开裂的换热管外部其余部分没有出现明显的变形、腐蚀等损伤。2.2材料检查为了确认换热管材料，采用布鲁克便携式合金分析仪对发生开裂的材料进行元素分析，分析结果见表2。元素成分符合3 0 4 材料的成分要求，经与出厂资料进行对比，材料不存在用错混用等异常情况2.3金相检测按照GB/T43342020晶间腐蚀试验的要求，在实验室条件下，对换热管进行金相检验，分析其微观结构。微观形貌图1换热管布置漏点图2换热管开裂表2换热管成分分析序号元素含量/%序号元素含量/%1Cr18.4118.864V0.030.052Ni8.258.845Fe70.6971.243Mo0.050.096Mn1.321.11显示奥氏体晶界平直，无腐蚀沟，晶粒呈台阶状，为一类阶梯组织，是换热管正常的金相组织，说明管道材料并未发生变化。经材料分析及金相检测，基本可以排除材料存在问题。图3换热管金相组织3流体诱发振动校核由于发生破裂的管子集中处于导热油出口部位，在折流板的作用下，导热油产生明显的横向流动，管子在该部位存在较大横流速度，且在破坏前由于工艺变化，导热油流量的突增导致横流速度加大。因此需要考虑工况改变导致管束的振动情况，特别是注意到类似设备曾发生过类似问题，且在设计资料中同样未设备管理与维修2023 No9(上)诊断技术179按照GB/T1512014附录C进行流体流体诱发振动校核3 故而按照产品制造标准GB/T1512014进行校核。3.1模型构建根据换热器的技术资料，按照使用工艺，对换热器主要影响计算的结构进行详细分解，建立计算模型（图4）。fL=9.937.58=0.5150.5,折流板间4=0.39临界横流速度Vcl=0.485m/s;热交换器出口处的横流速度V=0.839m/s临200200500X10d800+01212d80050010820080200803582050530700700700700700700700447图4换热管主体结构3.2主要参数确定热交换器壳体内径D为0.8 m，换热管外径d为0.0 19 m，壁厚0.0 0 2 0 m，管孔中心距s为0.0 2 5m，正三角形排列，管长6 m，两管板内侧间距为5.8 7 7 m，折流板厚t为0.0 0 8 m。折流板布置见图4。3.3横流速度对主要参数的确定。通过对换热管布置的分析及计算，换热管各列总间隙0.15 0.2 3 mm，在最小间隙处横流速度最大。按照厂方提供的操作参数，导热油正常流量达到2 116 8 0 kg/h时，热交换器进口处的横流速度可达到0.9 9 7 m/s，热交换器出口处的横流速度可达到0.8 3 9 m/s，折流板间的横流速度可达到0.6 3 8 m/s。3.4卡门旋涡频率f经计算，进口处的卡门旋涡频率为11.8 0 Hz出口处的卡门旋涡频率为9.9 3 Hz，折流板间的卡门旋涡频率为7.58 Hz。3.5换热管固有频率f换热管刚性在折流板缺口处最差，估算换热管一阶固有频率，导热油进口侧为2 0.3 2 Hz，导热油出口侧为19.2 7 Hz。3.6临界横流速度流动角为3 0，节径比为1.3 2 的管束，在已知换热管的对数衰减率为0.0 3 的情况下，可以得到临界横流速度为0.4 8 5m/s。3.7振幅计算y通过计算可得热交换器进口处的振幅最大达到0.0 0 0 7 7 m，换热器出口处的振幅最大达到0.0 0 0 4 9 m，折流板间的振幅最大为0.0 0 0 2 8 m。正常情况下，一般振幅应不大于0.0 2 do，在该换热器中，换热管允许的振幅为0.0 0 0 3 8 m，可见换热器进出口位置换热管的振幅已经超过推荐允许值。3.8流体诱发振动判定由于导热油进口侧=11.8 0=0.5800.5，导热油出口侧220.32界横流速度Vci=0.485m/s;折流板间的横流速度Vz=0.638m/s临界横流速度Vci=0.485m/s可以得知,除了在折流板间外，换热器进出口处的最大振幅已经超过推荐允许的振幅，意味着换热管出现了超过允许的振动，流体诱发振动最终导致换热管开裂。4原因分析导热油流动在穿过换热管时，换热管可以看作是两段固定的细长梁，流动带来了本身具有弹性的换热管产生位置偏移，从而产生流体诱发振动。壳程导热油流速的适当增加，增加了导热油的紊流场，有利于传热效率的提升。流量的激增导致导热油穿过换热管的横向流速度增大，导热油诱发振动的频率与换热管的固有频率处于敏感范围，换热管的振幅激增。由于换热器管束是挠性部件，振动无可避免，振幅处于敏感区促使换热管产生周期性的大振幅振动。由于壳程进出口是速度最大的区域，管板处由于受到管板的约束，受力情况更加复杂，因此靠近管板处也最易发生流体诱发振动的区域。在本案例中，管道产生诱发振动的原因是由于工艺变化导致了横流速度的大幅增加，导致换热管的一阶固有频率与导热油的卡门旋涡频率达到可以产生流体诱发振动的敏感区域，同时从振幅可以看出，换热管已经产生了高振幅的振动，换热管在流体诱发振动的作用下，在速度最大的导热油进出口处，换热管工况最为恶劣，成为易发生开裂的区域。5应对措施根据振动产生的原因，可以采取的防振措施主要有：通过设置进口旁通等分流措施，改变导热油的流量，进而进一步降低流过换热管的横流速度；在将换热管与周围换热管设置夹、增楔形物、平直插等增加管子刚性，改变管子支撑，通过改变换热管的固有频率来避免产生流体诱发振动；改变折流板的形式与布置，用双弓形折流板、三弓形折流板代替单弓形折流板等；在兼顾工艺的条件下，减小换热管的跨距，从而2023No9(上)设备管理与维修诊断技术180李编辑波丙烯塔回流泵驱动电机振动高原因分析与措施李早东，彭磊（中国石油兰州石化公司，甘肃兰州730060)摘要：某乙烯装置丙烯精馅塔回流泵是乙烯装置丙烯精馏系统重要设备，其主要作用是输送精馏塔底介质去精馏塔塔顶，形成精馏塔回流系统，为产出合格丙烯提供必要条件。2 0 2 2 年11月11日，该泵驱动电机负载端和自由端振动均发生比较明显的上涨趋势，利用振动频谱分析方法进行监测和故障分析，通过对轴承的典型故障特种进行对比，查明故障原因，为其下一步检维修策略的制定提供可靠数据支撑。关键词：频谱分析；状态监测；故障诊断；维修策略中图分类号：TQ051.2文献标识码：BDOl:10.16621/ki.issn1001-0599.2023.09.720引言某乙烯装置丙烯精馏塔回流泵是乙烯装置丙烯精馏系统的重要设备，其主要作用是输送精馏塔底介质去精馏塔塔顶，形成精馏塔回流系统，为产出合格丙烯提供必要条件。1丙烯塔回流泵系统该丙烯塔回流泵2 0 0 6 年投产，投用后运行良好，泵和驱动电机的主要参数见表1。2 0 2 2 年11月11日，该泵驱动电机负载端和自由端振动均发生明显的上升趋势。2振动分析方法及优点本文主要采用的方法是包络谱解调分析方法。包络解调分析理论的优点是，可以将与故障相关的信息从高频调制信号中解调出来，避免与低频噪声混淆。通过利用包络解调原理对轴承的状态进行监测和故障诊断，能够尽早发现轴承早期出现的故障，为轴承的运行状态监测和寿命评估提供更多的数据支持。本文研究所采用数据均来源于某公司开发的动设备状态监测与故障预警平台，该设备振动信号传感器配置位置如图1所示。表1丙烯塔回流泵基本参数设备名称设备型号生产厂家额定流量泵轴承型号7315BECBM（驱动端）丙烯塔回流泵CD81214x26苏尔寿1176.6 m/h6218(非驱动端)驱动电机型号驱动电机功率转速扬程电机轴承型号YB400M2-4W/6320（负载端）280kW1475 r/min110m280kW/6kVNU320(自由端)增大换热管的固有频率。6结束语尽管多年以来，GB/T1512014热交换器已经将流体诱发振动的设计列入，但是并未强制要求在设计中予以明确。在大跨距及流体混合可能产生严重后果的换热器设计中，应当明确最大流量，最大限度降低发生流体诱发振动的影响。1Hv/a2Hv/a3Hv/a3Vv/a4Hv/a4/a44.544.544.544.544.544.530.030.030.030.030.030.0S/LW2.1/9.71.8/11.50.7/1.81.2/1.90.8/3.61.5/4.2图1设备状态监测传感器配置位置3振动异常分析3.1故障现象分析近一个月设备运行监测数据，11月11日之前，各测点振动速度有效值整体变化趋势比较平稳，其中，1Hv（自由端）、2Hv（负载端）测点振动值2.8 5.5mm/s，其他测点速度有效值在1.5mm/s以内。加速度标度峰值，除2 Ha测点加速度值在3 23m/s区间内大幅变动外，其他测点加速度变化趋势平稳，均处于8m/s以内。11月11日开始，1Hv、2 H v 测点速度有效值幅值显著升高，并呈现不断上升的趋势，最终达到12 mm/s左右，2Ha测点加速度标度峰值也随之不断波动（图2）。3.2故障分析1Hv、2 H v 的频谱图和包络谱图分析如图3 所示，11月11日驱动电机振动有效值发生突变前，1Hv、2 H v 测点频谱主要表现为工频突出，最高可达6.15mm/s，为电机转子不平衡特征。2 Ha加速度测点频谱主要贡献频率为3512.1Hz,加速度值为3.6 4 m/s,并左右伴有10 0 1Hz的参考文献1】苏桐，王宇阳，陶舒畅，等.蒸汽发生器传热管流体诱发振动研究综述J.科技视界，2 0 2 1(2 1）：13 2-13 5.2衡明军，朱维东.预防管壳式换热器因流体诱发振动的结构设计讨论J.中国科技财富，2 0 12（7）：4 7.3GB/T151-2014,热交换器S.