チューブシートが膨張し、漏れ、チューブを引き抜いたのはなぜですか？ エンジニアが実際に尋ねる3つの故障に関する質問

固定管板式换热器运行约18个月后，在壳程出口处出现轻微泄漏。检查发现管板无腐蚀，管子完好，但管板中心明显鼓胀，且附近几个胀接接头已松动。材料证书和焊接记录均符合要求。问题不在于制造，而在于载荷组合：压差、热膨胀差和螺栓载荷在同一位置叠加，超过了管板的校核依据——仅考虑压力时的假设。

本文未列出失效模式。它回答了工程师在现场提出的三个问题，每个答案都追溯到作用在每个管板上的五种载荷的组合：管程和壳程压差、压力引起的轴向和环向应力、热膨胀不匹配、管板与壳体温差引起的热应力以及法兰螺栓载荷。

症状很熟悉：中心附近鼓胀，管子与管板接头处泄漏，螺栓预紧力缓慢损失。三种载荷组合产生此现象。

压差产生横向弯曲载荷，由管板弯曲刚度和管子作为弹性基础抵抗。管板与壳体温差在连接处增加了边缘弯曲力矩，法兰螺栓通过垫片压缩增加了第三个力。这三种力作用在同一方向，使弯曲应力超过允许值；当管板厚度不足以承受组合载荷时，变形会在管子接头处打开泄漏路径。这是最常见的在役失效，是厚度和载荷组合问题，而非材料问题。

在这种情况下，管板完好无损，管子是可见的损坏：弯曲，在管束中部鼓胀，有时相互挤压变形。原因是固定管板式设计无法释放的一种载荷。

当壳体和管子运行在明显不同的温度下时，它们的膨胀不同。固定管板式设计无法通过相对运动来吸收这种差异，因此它会转化为管子和壳体的轴向应力；超过临界屈曲值后，管子就会弯曲。浮头式或U型管式设计通过允许管束移动来缓解此问题。能够捕捉到此问题的校核是明确的管子轴向应力和临界屈曲计算——仅考虑管板弯曲是不够的。

管子从管板孔中滑出，接头泄漏，管子端部低于管板表面。原因是作用在管子上的轴向力超过了胀接接头的保持能力。

该力是压力引起的轴向载荷和热膨胀引起的轴向载荷的总和。当总和超过接头能力时，管子就会拔出。拔出既是接头设计问题，也是载荷问题：胀接长度、胀接程度、槽形几何形状和管壁厚度决定了保持力，并且它不是通过管板弯曲应力来预测的——它需要单独的接头能力校核。

• 管板厚度必须由最不利的载荷组合决定，而不能仅由设计压力决定。检查仅考虑压力、考虑压力加热以及考虑螺栓载荷的情况；最不利的情况决定厚度。
• 固定管板式换热器需要明确的管子屈曲校核。必须计算由差胀引起的轴向压应力和临界屈曲载荷，而不是从弯曲结果推断。
• 胀接接头能力必须根据计算出的轴向载荷进行校核。胀接长度、胀接程度、槽形几何形状和管壁厚度应包含在采购规范中，而不是留给制造商的默认值。

对于采购和项目工程师来说，审查归结为图纸上的三个问题：哪种载荷组合决定了管板厚度，是否已校核了固定管板式屈曲情况，以及接头能力对应于哪个轴向载荷？当这些问题的答案存在时，强度设计就是可验证的，而不仅仅是貌似合理。

压差、连接处热应力和螺栓载荷可能作用在同一方向；过薄的管板会发生变形，并在管子接头处打开泄漏路径。

壳体与管子之间的温差会产生轴向压应力，固定管板式换热器无法释放；超过临界屈曲值后，管子会弯曲。浮头式和U型管式设计可以缓解此问题。

压力加上差胀引起的轴向力超过了由胀接长度、胀接程度、槽形几何形状和管壁厚度决定的接头能力。

压差与差胀的相互作用：单独考虑时可能都可以接受，但组合在一起时可能会超过允许的弯曲应力或接头能力。