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空分装置换热器开孔接管开裂失效事故的应力分析

苏红霞

（液化空气（杭州）有限公司，浙江，杭州 311112）

摘 要: 基于管道有限元基本理论，根据相关规范，结合一空分装置换热器铝管道断裂失效实例，分析了铝管道支管与主管开孔和换热器封头开孔焊接处的局部应力状态。对失效管道进行安全性评定，给出切实可行的整改措施，并就该类管道的分析方法和工程运用给出建议。

关键词:铝管道；局部应力；有限元

中图分类号：TQ 055.8 文献标识码： A 文章编号：

Stress analysis of opening nozzles cracking failure on ASU heat exchanger

Su Hong Xia

(Air Liquide(HangZhou) Co.,Ltd , Zhe Jiang, HangZhou 311112, China)

Abstract: Based on the piping finite element analysis theory, according to the related standard, combined with one case of heat exchanger aluminum pipe fracture failure in air separation unit, analyze the local stress on the opening part connecting the branch pipe to the main pipe and the heat exchanger head. Assess the safety of the failure pipeline, give practical corrective measures, and give advices on analytical methods and engineering application of such pipelines.

Key words: aluminum Pipe; local Stress; FEA

收稿日期：2013-05-27

作者简介：苏红霞（1979），女，山东淄博人，硕士研究生，工程师。主要从事压力管道应力分析及设计工作。

1 引言

空分设备主换热器采用多组并联、紧凑式、高效大型板翅式换热器，由于换热器单元设备的外形尺寸大大缩小，空分设备的冷箱也相应缩小，跑冷损失减少、膨胀量下降、启动时间缩短，提高了空分设备的技术经济性。但是随着空分装置的大型化，主换热器的换热单元越来越多，其配套管路的直径越来越大，而且布置空间非常紧凑，因此管路设计也变得愈来愈复杂，集合管路上在有限的空间里有大量的直管开孔，往往造成管道结构的不连续和局部应力集中，应力情况非常复杂[1]。在管道设计过程中一般要求选用的材料的化学成分和力学性能符合相关的标准要求，

其应力水平也通过相关标准提供的经验公式进行校核。但即便材料和应力校核都符合标准要求的设计，在实际使用过程中也会出现非常严重的开裂失效现象。

管道应力分析是管路设计和分析的基础，也是对管道进行强度和安全评价的依据[2]。1955年，Bijjllard提出了圆筒形容器在接管外载荷作用下产生局部应力的计算方法；80年代，美国斯坦福大学的C.R.Steele提出了壳体和接管交线的数学表达式；现在应用最广泛的是美国焊接研究委员会的WRC-297公报。后来很多学者也利用薄壳理论和有限元分析等手段来进行研究，但主要集中在圆柱壳承受内压荷载的情况。

下文描述的是综合运用应力分析软件CAESARII和有限元分析软件NozzlePro对一起发生在大型空分装置中的换热器铝管道焊口断裂失效事故的分析处

理过程。

3 失效位置载荷及热应力分析

2 事故情况及原因分析

一空分装置换热器在运行过程中，一铝管道支管与主管和换热器封头开孔处的焊缝均断裂，并掉落到地上，见图1。该失效管路的主管、支管和换热器封头规格分别是Φ114.3X12mm、Φ219.1X18.26mm和Φ193X20mm，材料为5083-H112/O。

首先对此铝管道的热应力进行分析，模型运行后发现该管路系统的应力值均在1以下，但是对于铝管道支管与主管以及换热器封头相连接处的应力在CAESARII中无法准确得出[4]。ASMEB31.3附录D指出，对于支管与主管公称直径比值介于0.5和1之间的连接，ASMEB31.3对其应力增强系数的计算是偏于不保守的[5]。对于此管系，支管和主管的比值为0.52，因此需要采用有限元分析软件NozzlePro对此处的应力进行校核计算。在CAESARII中得到该铝管道加在主管上和换热器封头管嘴处的载荷，将支管与主管连接处的载荷导入NozzlePro中，计算得到主管处的应力是符合ASME要求的，计算结果见表2。将换热器封头管嘴处的载荷导入有限元分析软件，进行应力分析，其二次应力超过ASME规定的许用应力的要求，结果见表3。

表2 主管开孔处局部应力校核结果

Table 2 Local stress checking results on main pipe opening part

图1 铝管道焊缝断裂位置图 Fig.1 ALU pipe welds break location picture

计算应力最高应力 主应力 二次应力 许用应力(MPa) 87.24 107.32 (MPa) 110.7 221.4 (计算应力/ 许用应力)/% 79 48 初步分析事故发生过程为，运行过程中，与换热器封头焊接的焊口一侧先断，断口整齐，由于管路的压力，把另一侧母材拉开，在母材拉裂的瞬间，受高压气流的冲击，拉动下面的与主管焊接的焊口撕裂，直至整根铝管道断开掉落。事故发生后，对焊缝的焊接方案和焊接质量进行评定后，发现焊接方案和质量均符合标准的要求。同时对破裂式样进行金属化学成分和力学性能复测，测试结果显示材料化学成分和力学性能符合GB/T4437.1对5083-H112/O的要求。

在排除了材料和焊接质量的原因后，推测原因可能出在管路载荷和热应力方面，对该系统进行管道应力计算校核。在CAESARII中建立管路的模型，系统运行工况见表1，材料为5083-H112/O，许用应力值为73.8Mpa，计算校核规范为ASMEB31.3[3]。

表1 系统热工况定义

Table 1 Thermal case definition of the system

工况 1

工艺参数 最高操作温度（℃） 设计压力（MPa）

PL Pb≤1.5Sm PL+Pb+Q≤3Sm 式中:PL为一次局部薄膜应力,MPa; Pb为一次弯曲应力, Mpa; Q为二次应力; Sm为许用应力,MPa;

表3 换热器封头开孔处局部应力校核结果

Table 3 Local stress checking results on heat exchanger header opening part

最高应力 主应力 二次应力 计算应力许用应力(MPa) 74.6 275.96 (MPa) 110.7 221.4 (计算应力/ 许用应力)/% 75 148 PL Pb≤1.5Sm PL+Pb+Q≤3Sm 式中:PL为一次局部薄膜应力,MPa; Pb为一次弯曲应力, Mpa; Q为二次应力; Sm为许用应力,MPa;

-177.32 8.16

根据计算结果可以看出，主管上支管开孔处的应力是符合ASME的要求的，而支管与换热器的封头相连接处的载荷和应力均是严重超标的，从图2应力分布图也可以看到，应力最大部位和现场封头的破坏部位完全一致。根据现场运行记录核实，发生事故时整个系统确实长时间处于该工况下运行，故可以断定导致事故的原因是运行过程中热应力过大导致换热器封头被撕裂。

图2 换热器封头开孔处的应力分布图

Fig.2 Stress distribution of heat exchanger header opening part

4 解决方法

对于这次事故，可以通过改变换热器铝管道的布置，增加管道的柔性，减小封头管嘴的载荷，从而减小此支管与封头焊接处的二次应力，达到ASME的要求；也可采用增加换热器封头强度的方法，使热应力符合标准的要求。综合现场改造的可行性和经济性，采用对该处封头开孔处进行等面积补强的方法。经过计算在开孔处增加了宽度为50mm，厚度为20mm的补强圈，并在有限元模型中进行应力分析，其计算结果见表4，应力分布图见图3。从图中可以看出，换热器封头开孔处的热应力大大减小，符合ASME的要求。

表4 增加补强圈后换热器封头开孔处局部应力校核结果 Table 4 Local stress checking results on heat exchanger header

opening part after adding reinforced pads

计算应力许用应力最高应力性质 (计算应力/ (MPa) (MPa) 许用应力)/% 主应力 PL Pb≤1.5Sm 37.65 110.7 30 二次应力 PL+Pb+Q≤3Sm 216.06 221.4 98 式中:PL为一次局部薄膜应力,MPa; Pb为一次弯曲应力, Mpa; Q为二次应力; Sm为许用应力,MPa;

图3: 增加补强圈后换热器封头开孔处的应力分布图 Fig.3 Stress distribution of heat exchanger header opening

part after adding reinforced pads

5 结论

以上分析证明在管路设计过程中，即便在材料的化学成分和力学性能满足要求，且由经验公式计算得到的应力满足标准的情况下，还必须对换热器封头开孔处进行有限元分析校核，进而确认开孔处的热应力符合要求，若不符合标准的要求，需要修正管路的布置方案，在修改管路方案不容易实现时，可优先考虑增加补强圈的方案。

参考文献

[1] 马爱梅，鹿晓阳. 管道开孔接管和三通设计及应力分

析[J]. 机械设计与制造，2007(7)：50-51. [2] 唐永进. 压力管道应力分析[M]. 北京：中国石化出

版社，2003.

[3] GB/T20801.2-2006，压力管道规范 工业管道 第2部

分：材料[S]. 2006.

[4] CAESARII2011 Technical Reference Manual [M]. [5] ASME Code for Pressure Piping，B31.3，Process

Piping.