空分装置换热器开孔接管开裂失效事故的应力分析

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1、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：TQ055.8文献标识码：A文章编号：Stressanalysisofopeningnozzlescrackingfa

2、ilureonASUheatexchangerSuHongXia(AirLiquide(HangZhou)Co.,Ltd,ZheJiang,HangZhou311112,China)Abstract:Basedonthepipingfiniteelementanalysistheory,accordingtotherelatedstandard,combinedwithonecaseofheatexchangeraluminumpipefracturefailureinairseparationun

3、it,analyzethelocalstressontheopeningpartconnectingthebranchpipetothemainpipeandtheheatexchangerhead.Assessthesafetyofthefailurepipeline,givepracticalcorrectivemeasures,andgiveadvicesonanalyticalmethodsandengineeringapplicationofsuchpipelines.Keywords:a

4、luminumPipe;localStress;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

5、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

6、，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。1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

7、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。图1铝管道焊缝断裂位置图Fig.1ALUpipeweldsbreaklocationpicture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

8、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Table1Thermalcased