熊从贵，何 静，刘雪飞，宋玲丽
(台州龙江化工机械科技有限公司，浙江温岭317500)
摘要：针对盘管或排管因塑性加工变形产生残余应力、结构设计不合理，产生附加应力、焊接接头质量缺陷产生裂纹源和流体动能产生的应力等问题，通过对盘管或排管的结构设计、成形后的截面尺寸、焊接接头质量以及在特殊情况下发生的失效及其危害性进行分析，提出了提高盘管或排管安全性能的措施。结果表明，增加焊接接头的无损检测，选取合适的介质流速，提高柔性，在塑性变形后进行热处理，增加合适的壁厚加工减薄量和采用全焊透焊接结构，能有效控制盘管或排管的安全性。
关键词：盘管；排管；安全隐患；影响因素；安全性分析
中图分类号：X945 文献标志码：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
盘管或排管都是热交换元件，在过程装备中广泛应用。盘管常用于热交换量不大的场合，它一般不作为独立的设备存在，而是与容器组合，如反应釜的内盘管、储罐的内加热或冷却盘管；排管常用于换热量比较大的场合，它既可以与容器组合（如冷水箱的排管），也可以作为独立的换热设备（如冷库的蒸发排管、淋水式冷凝器的排管）。
盘管或排管作为热交换元件，其内部都有流动的工作介质，可能是高温工况、高压工况或者低温工况，因此，盘管或排管在工作环境下都具有一定的危险性。按照《特种设备安全监察条例》的定义，盘管或排管属于压力容器，但《固定式压力容器安全技术监察规程》和《压力容器》规定的适用范围不包括盘管或排管。目前，压力容器的相关标准中还没有盘管或排管的设计规定，只在《压力管道规范工业管道第3部分：设计和计算》中规定了弯管的强度计算公式。
1 盘管或排管的安全现状
在《压力容器》和《制冷装置用压力容器》适用范围内，盘管或排管既不属于实施监督检验的压力容器，也不属于压力管道范畴，甚至没有产品标准约束，这不利于盘管或排管的安全质量管理，盘管或排管在实际工程应用中有很多关键问题被忽视。
1.1 塑性变形
盘管或排管都是经过塑性加工而成，盘管的弯曲半径较大，且在弯曲过程中有一定的螺旋升角，而排管的弯曲半径较小，且是平面弯曲。在加工过程中，原先的直钢管产生塑性变形，钢管的直径和弯曲半径决定了变形量的大小，钢管直径越大，或弯曲半径越小，在弯曲变形过程中产生的塑性变形量就越大。如果盘管或排管是冷加工成形，且成形后没有经过热处理时，钢管会产生冷作硬化，钢管塑性和韧性会降低，同时钢管内部产生加工残余应力，增加了钢管脆性开裂倾向。
1.2结构设计
盘管或排管的工作环境常存在内外介质温差较大的情况，盘管或排管因温差而产生膨胀或收缩。在热交换状态下，膨胀或收缩随温差交替进行，长时间工作下盘管或排管可能进入疲劳状态。如果盘管或排管的结构设计不合理，还会产生额外应力，如过多的约束，钢管与支撑件之间采用焊接连接都会产生额外应力。
1.3焊接
盘管或排管的对接接头的焊接在工程上没有引起足够的重视，很多产品没有采用全焊透的焊接工艺。接头根部没有全焊透，存在焊瘤、焊缝余高超标，焊接接头没有采用有效无损检测方法进行检测，在交变载荷工况、低温工况下，这些缺陷往往是盘管或排管产生失效的根源。
1.4流体动能
排管是用180°的弯头和直管连接而成，流体在排管内流经弯头时，流动方向瞬间改变，流速发生变化，流体的内部应力增加。根据流体一固体耦合原理，流体边界应力同弯头内壁应力相同，由流体速度梯度引起的弯管应力增加。弯头的弯曲半径越小，由流体速度梯度引起的弯管应力越大。目前的排管弯头只考虑了流体静压力的作用，没有考虑流体动能的影响。
2 盘管或排管的强度计算
按文献[6]规定，钢管内压设计时的强度计算公式为
假定钢管在弯曲时中轴线的长度不变化，则外侧受拉，内侧受压。再假设钢管在弯曲时，金属材料没有圆周方向的流动，根据物质等量原理，即钢管的金属质量和体积都没有变化，则外壁拉伸后钢管壁厚变薄，内壁受压缩后壁厚增厚。理论上最薄点为A点，最厚点在D点，B、C点的壁厚没有发生变化。钢管在实际弯曲过程中，钢管横截面可能出现如图2所示的椭圆形状，弯管横截面产生的椭圆引起二次应力，因此弯管的受力情况十分复杂，要从理论上推出其强度计算公式比较困难。工程上常采用控制弯管椭圆度的方法来保证弯管强度计算存在的误差，工程上一般将承受内压的弯管不圆度u控制在8%以内，弯管不圆度的计算公式为，Dmax、Dmin分别为同一截面的最大、最小实测外径，mm。同时，要注意弯制钢管的坯料厚度，确保弯管成品的厚度满足设计要求，这点在弯管的设计参数较高时需要特别重要。
3 盘管或排管安全性的影响因素
盘管或排管的安全性不只是强度计算这个单一的问题，还受到诸多因素的影响，在不同的具体情况下正确分析，提出相应的解决措施，才能确保盘管或排管的安全。
3.1 结构尺寸
作为热交换元件的盘管，当介质温差较大时，盘管因热胀冷缩会产生位移，这时设计盘管的支撑时应使盘管具有足够的柔性，避免设置过多的约束，从而避免产生附加应力。同时盘管与支撑件之间不能直接焊接，应使用U型螺栓固定，避免盘管因长时间周期性的位移使盘管与支撑件之间的焊点产生疲劳而发生失效。在设计排管时，如果条件允许应选择较大的弯曲半径，以减少钢管因弯曲产生的变形量，从而降低弯管成形后的残余应力。同时还能降低流体在通过弯管时产生的速度梯度，从而降低弯管应力。在冷库制冷装置中，通常认为弯管的弯曲半径R大于3.5倍钢管外径时，弯管的加工残余应力和流体的速度梯度是可以接受的。
3.2截面尺寸
钢管在弯曲过程中，截面尺寸可能发生变化，如图2所示，钢管的截面可能呈椭圆形状，且随着弯曲半径的不同，钢管弯曲的外侧壁厚会有不同程度的减薄，内侧壁厚会有不同程度的增厚。文献[10]介绍了变壁厚椭圆形弯管的应力计算公式，并得出在内压作用下，弯管的轴向应力相同，在弯管截面A点处存在最大周向应力，B点和C点处的次之，D点处周向应力最小，且弯曲半径越小，应力就越大。同时椭圆弯管在内压作用下有“趋圆”现象，弯管内存在二次弯曲应力，在非均匀壁厚情况下，应力分布更为复杂。因此，在工程应用中，必须严格控制弯管的不圆度。
3.3焊接
盘管或排管的接头焊接质量不仅受焊工技能的影响，也受焊接工艺的影响，制订合理的焊接工艺是保证焊接质量的基本要求。采用全焊透的单面焊双面成形的焊接工艺及焊缝表面质量的控制，对盘管或排管的焊接质量至关重要。由于盘管或排管不接受监督检验，施工单位常常放任焊接质量，疏于管理。在盘管或排管的焊接中，出现的未焊透、焊瘤、焊缝余高超标，对盘管或排管的安全是致命的。未焊透为开口性缺陷，会产生附加弯曲应力，是产生裂纹的根源，同时还减少了焊缝的承载面积，导致承载能力降低。未焊透、焊瘤、焊缝余高超标等造成的不连续结构，破坏了应力均匀分布，产生应力突变，导致应力集中，降低疲劳强度。
4 盘管或排管失效的危害性分析
4.1 盘管
盘管一般不是作为一个独立的设备，而是作为设备的组成元件，用来加热或冷却另一种介质。盘管内外的介质通常是不同的，盘管内的介质常见有水、水蒸汽等，而化学工业中的某些介质是严禁与水接触的，否则会产生严重的后果。如连二亚硫酸钠，属于一级遇湿易燃品，与水接触会产生强烈的化学反应，释放出大量的热量并燃烧；二乙基锌遇水发生激烈反应，分解产生乙烷并着火；干燥的氯化氢气体对钢铁的腐蚀轻微，但是与水接触会生成盐酸，对钢铁腐蚀严重；浓硫酸对钢铁具有很好的耐腐蚀性，但与水接触被稀释后对钢铁的腐蚀性很大；盘管内的水蒸汽与液化气体直接混合，会导致液化气体温度急速上升，压力急剧升高，导致设备产生超压的危险。
4.2排管
大量的排管常见于冷库，是两根独立的集管与很多U形钢管焊接组成的空气热交换器。一组排管的容积一般在0.2~1.0m3不等，排管内的介质一般为液氨，排管内的液氨充装量约为全容积的30%，一旦某组排管发生泄漏，即使切断供液阀，也只能让排管内的全部液氨泄漏殆尽，无法终止。氨具有强烈的刺激性气味，对人体的眼、鼻、喉等具有刺激作用，吸人大量氨气可造成短时鼻塞，并造成窒息。每单位体积的液氨能扩散成约70倍体积的氨气，危害范围较广。
因此，无论是作为设备组成元件的盘管，还是作为独立设备的排管，虽然它的容积较小，但是在一些特殊的场合，还是应该重视它的安全性。
5 提高盘管或排管安全性能的措施
1)在条件允许的情况下采用较大的弯曲半径，用于工作压力较高、工作温度较低或存在应力腐蚀的工况，钢管弯曲产生的变形率较大时应进行成形后的恢复力学性能热处理，一般碳钢和低合金钢的变形率超过5%或奥氏体不锈钢的变形率超过15%时应考虑。
2)结构设计时避免过约束，提高盘管或排管的柔性，避免因过约束产生附加应力。
3)设计人员应充分了解盘管或排管内、外介质的危害程度，以及内、外介质混合后可能发生的危害程度。对介质危害程度较高的，对接接头应全部进行射线检测，提高焊接接头的安全性能。
4)加工时应根据成形工艺考虑钢管的减薄量，确保钢管成形后的最小厚度能够满足设计要求。
6结论
1)设计时须了解介质特性，应特别注意内外的介质混合时可能产生的危害。对具有该类风险的盘管或排管，在设计时应对焊接接头提出无损检测方法、检测比例及合格级别等要求。
2)设计时须选取合适的介质流速，以减小因速度梯度引起的应力。对盘管或排管弯曲半径较大的可以在允许范围内选取较大的介质流速；反之，则应选取较小的介质流速。
3)设计时，应使盘管或排管具有足够的柔性，避免产生附加应力。盘管或排管固定时采用U型螺栓固定，而不采用焊接固定；选用较大的弯曲半径等。
4)制造时对塑形变形较大的且用于压力较高、温度较低或存在应力腐蚀工况的盘管或排管，应在塑性加工后进行恢复材料力学性能的热处理，减少因材料塑性加工导致的力学性能下降或因塑性加工产生的冷作应力。
5)制造时，因根据加工工艺预计盘管或排管的壁厚减薄量，合理增加盘管或排管加工前的坯料厚度，保证盘管或排管加工成型后的厚度能满足设计厚度的要求。
6)制造时，盘管或排管的对接接头必须采用单面焊双面成型的全焊透工艺，确保焊接结构连续，减小焊接结构产生的应力集中。
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