束潤(rùn)濤

(武漢市潤(rùn)之達(dá)石化設(shè)備有限公司,湖北 武漢 430223)

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靜設(shè)備非正常失效案例分析和討論

束潤(rùn)濤

(武漢市潤(rùn)之達(dá)石化設(shè)備有限公司,湖北 武漢 430223)

對(duì)石油化工和核電行業(yè)靜設(shè)備非正常腐蝕失效的許多案例進(jìn)行了簡(jiǎn)要分析和討論，案例涉及到08Cr2AlMo空冷器管束的粗制濫造問(wèn)題;空冷器先焊管箱后焊管頭的深孔焊工藝造成管頭焊可靠性差及無(wú)法檢驗(yàn)和無(wú)法修補(bǔ)的問(wèn)題;換熱器不銹鋼U型管在R部位的違規(guī)拼接及未進(jìn)行固溶熱處理所造成的應(yīng)力腐蝕問(wèn)題;管束Cr-Mo鋼管頭焊接的質(zhì)量控制及技術(shù)問(wèn)題;不銹鋼壓力容器隨意起弧導(dǎo)致的應(yīng)力腐蝕問(wèn)題;核電除氧器野蠻組裝損傷母材后的補(bǔ)焊技術(shù)問(wèn)題和過(guò)程控制問(wèn)題;不銹鋼和鉻鉬鋼換熱器管束在氯離子應(yīng)力腐蝕環(huán)境中換熱管的有害脹接問(wèn)題;以及不銹鋼膨脹節(jié)、封頭等冷作變形量大所造成的延遲裂紋及應(yīng)力腐蝕等問(wèn)題。針對(duì)每一個(gè)具體案例，進(jìn)行了具體分析，并從技術(shù)方案和技術(shù)管理等方面提出了具體解決辦法。

靜設(shè)備 腐蝕失效 空冷器 壓力容器 膨脹節(jié)

目前，部分制造企業(yè)為節(jié)約成本，由偷工減料所導(dǎo)致的質(zhì)量問(wèn)題五花八門，如新疆某石化企業(yè)采購(gòu)的DN2000不銹鋼固定管板式換熱器，使用周期僅3個(gè)多月，經(jīng)拆卸后發(fā)現(xiàn)管束殼程的8塊不銹鋼支撐板缺如；四川某企業(yè)采購(gòu)的08Cr2AlMo石油液化氣空冷器使用僅2個(gè)多月就發(fā)生嚴(yán)重泄漏，給安全生產(chǎn)帶來(lái)巨大隱患。

石化、核電等行業(yè)對(duì)于設(shè)備使用前的檢查驗(yàn)收都有嚴(yán)格的規(guī)范和要求，但仍有部分企業(yè)管理不善，或?yàn)楣?jié)約采購(gòu)成本，而忽略了對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的嚴(yán)格要求，特別是一些財(cái)團(tuán)或地方企業(yè)跨界投資的新上項(xiàng)目，這種情況尤為突出。以下是幾起與制造質(zhì)量和制造工藝相關(guān)的非正常原因?qū)е赂g失效的典型案例，以及一些與制造和材料相關(guān)的其它問(wèn)題整理出來(lái)與大家一起學(xué)習(xí)和探討。

1 空冷器管束腐蝕失效的案例

1.1 空冷器粗制濫造的典型案例

該案例為表面蒸發(fā)式空冷器上段的翅片管管束，管內(nèi)為液化石油氣，介質(zhì)中含硫化氫和氫氣，在氣體冷卻過(guò)程中經(jīng)過(guò)露點(diǎn)溫度，設(shè)備處于濕硫化氫腐蝕環(huán)境，選用的翅片管基材為耐硫化氫腐蝕的08Cr2AlMo，管箱為Q245R，接管、法蘭為20號(hào)鋼。該設(shè)備使用僅2個(gè)月就陸續(xù)發(fā)現(xiàn)6支翅片管的端部泄漏，由于介質(zhì)易燃易爆，被迫停止使用(見(jiàn)圖1)，并重新采購(gòu)。

圖1 空冷器管箱內(nèi)部偷工減料焊接

圖1中標(biāo)注1為插管與管箱側(cè)板的內(nèi)部焊接接口，未焊接；標(biāo)注2為翅片管管頭與管板焊接接口，未焊接；標(biāo)注3為管箱底板與管板連接處，未見(jiàn)封底焊縫；標(biāo)注4為底板與絲堵板連接處，未見(jiàn)封底焊縫。

該空冷器管箱焊縫外表比較美觀，但管箱內(nèi)部所有焊縫都未按要求封底，目的是節(jié)省工時(shí)、節(jié)省焊接材料，并降低焊接能耗。

在該產(chǎn)品制造企業(yè)提供的竣工資料中，未見(jiàn)任何焊接工藝和熱處理資料，屬于典型的粗制濫造產(chǎn)品。

1.2 高壓空冷器腐蝕失效的案例

中石化某分公司加氫裝置4臺(tái)高壓碳鋼空冷器使用僅幾天就有3臺(tái)泄漏，使該部位的4臺(tái)高壓空冷器被迫廢棄后重新采購(gòu)，其停工損失超過(guò)2 000×104RMB￥。

經(jīng)追蹤分析，制造廠在高壓空冷器組裝工藝的前后順序方面存在有很大偏差。目前國(guó)內(nèi)外許多高壓空冷器的圖紙要求大多都是先做管箱，后進(jìn)行管頭焊的焊接，其目的是保證高壓空冷器管箱的絕對(duì)安全。先焊管箱后焊管頭焊的工藝使得采用管箱深孔焊焊接的管頭焊縫拉脫力很差，而且不能對(duì)管頭焊進(jìn)行PT(滲透探傷)檢查和煤油滲漏檢查，只能在水壓試驗(yàn)或氣壓試驗(yàn)時(shí)尋找泄漏點(diǎn)。發(fā)現(xiàn)缺陷后也不能進(jìn)行挖補(bǔ)(挖除缺陷再補(bǔ)焊)，解決方法也只能在有缺陷的部位進(jìn)行重新堆焊。在缺陷沒(méi)有被徹底挖除的情況下，在焊縫表面加蓋焊縫是存在巨大安全隱患的。

相同的案例在國(guó)內(nèi)已發(fā)生多起，原因在于國(guó)內(nèi)企業(yè)在深孔焊方面的焊接技術(shù)和檢驗(yàn)方法均不夠成熟可靠，制造及檢驗(yàn)過(guò)程也沒(méi)有更好的控制措施。管頭焊接質(zhì)量的絕對(duì)可靠是保證石化企業(yè)獲得生產(chǎn)穩(wěn)定的保障，管箱的焊接質(zhì)量是保證石化企業(yè)設(shè)備安全運(yùn)行的前提，二者缺一不可。其實(shí)，先焊接管板管頭，后焊接管箱的制造方案早已獲得非常穩(wěn)定的運(yùn)行效果，對(duì)于管箱的焊接檢驗(yàn)和焊后熱處理目前都有可靠的手段來(lái)予以保證，管箱的各種焊縫質(zhì)量都可以采用UT(超聲波探傷)檢驗(yàn)的方式進(jìn)行，焊后熱處理可以采用爐外局部熱處理的方法完成。

圖2是先預(yù)制管箱再進(jìn)行深孔焊的工藝。這種焊接方式等同于盲焊，焊后無(wú)法進(jìn)行直接檢驗(yàn)，焊接缺陷也無(wú)法挖補(bǔ)，而先焊接管板管頭進(jìn)行PT檢驗(yàn)再焊管箱的制造方式就不存在這樣的問(wèn)題。

圖2 空冷器管頭深孔焊焊接

2 換熱器管束腐蝕失效案例

2.1 不銹鋼U型管的腐蝕案例

該案例中U型管不銹鋼換熱器管束的腐蝕問(wèn)題見(jiàn)圖3和圖4，殼程介質(zhì)中不含Cl-，含有溶劑乙酸乙酯和溶質(zhì)有機(jī)物，管內(nèi)通蒸汽加熱，使用周期大約1 a。

圖3 換熱器U型管R部位拼接

圖4 換熱器U型管腐蝕失效后的PT檢驗(yàn)

從圖3判斷，該換熱管的R段有拼接痕跡(見(jiàn)圖3中的藍(lán)色標(biāo)記)，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)僅允許在U型管的直管段進(jìn)行拼接，在R段拼接屬于違規(guī)制造。小口徑管對(duì)接焊縫的可靠性不高，應(yīng)直接采購(gòu)整支換熱管進(jìn)行彎制。

U型管在拼接后會(huì)產(chǎn)生焊接殘余應(yīng)力，而彎制過(guò)程又將焊接殘余應(yīng)力與彎曲形變應(yīng)力疊加。就可能已經(jīng)在焊縫處產(chǎn)生了微缺陷，這是影響其使用壽命的主要原因。

圖4是另一臺(tái)U型管加氫換熱器管束腐蝕失效后的PT檢驗(yàn)照片，從照片上可以看到很多橫向裂紋，是典型的應(yīng)力腐蝕特征。

普通奧氏體不銹鋼材料中都含有少量鐵素體，部分條形鐵素體會(huì)在纖維拉伸的作用下斷裂，形成微小空洞。在對(duì)304L的焊接彎曲試樣進(jìn)行微觀分析時(shí)發(fā)現(xiàn)，條形鐵素體斷裂的最大空洞尺寸約30 μm。所以，對(duì)于U型管應(yīng)進(jìn)行固溶熱處理以恢復(fù)材料的組織性能。

2.2 管束管頭焊接質(zhì)量問(wèn)題

該案例為某地方煉油企業(yè)原料油與減一線換熱器，換熱管材質(zhì)08Cr2AlMo，管板16Mn鍛，使用4個(gè)月以后開(kāi)始泄漏，后經(jīng)過(guò)3次堵管，使用11個(gè)月后報(bào)廢。08Cr2AlMo換熱器管束在該部位的正常使用壽命應(yīng)該超過(guò)3 a。

該設(shè)備殼程介質(zhì)原料油，溫度65～85 ℃，管程介質(zhì)為減壓塔頂油氣，溫度130～100 ℃，管程為濕硫化氫腐蝕環(huán)境。殼程管外基本無(wú)腐蝕痕跡，管程換熱管、管板和焊縫金屬僅見(jiàn)輕微腐蝕痕跡，泄漏點(diǎn)均出現(xiàn)在管口焊縫的熔合區(qū)。經(jīng)分析，腐蝕原因如下：

(1)材質(zhì)不匹配：管束08Cr2AlMo，管板16Mn鍛，焊材H08CrMoA；

(2)焊接質(zhì)量很差：焊縫高度明顯不夠，不滿足設(shè)計(jì)和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的要求。

很多制造企業(yè)的焊接工程師不知道08Cr2AlMo其實(shí)就是有淬硬傾向的鉻鉬鋼，這種淬硬傾向在北方的冬天尤為明顯，必須按焊前預(yù)熱、焊后消氫和最終回火熱處理工藝來(lái)進(jìn)行嚴(yán)格制造和過(guò)程控制。對(duì)于預(yù)熱、后熱和熱處理，很多企業(yè)把關(guān)不嚴(yán)，或不知道該怎么做，就干脆不做，這是該材質(zhì)換熱器管束使用壽命很短的直接原因。

3 壓力容器腐蝕失效的案例

3.1 奧氏體不銹鋼容器腐蝕失效

奧氏體不銹鋼與碳鋼和低合金鋼相比，具有熱膨脹系數(shù)大，熱導(dǎo)率低的特點(diǎn)。由于冷卻速度慢，奧氏體不銹鋼設(shè)備在焊接時(shí)會(huì)導(dǎo)致焊縫收縮量大和焊接應(yīng)力大，在焊接過(guò)程中應(yīng)嚴(yán)格控制線能量，并對(duì)設(shè)備本體進(jìn)行有效防護(hù)。設(shè)備在焊接時(shí)若不對(duì)母材進(jìn)行保護(hù)，而任由飛濺和焊瘤與母材熔為一體，這將使局部產(chǎn)生冷卻收縮應(yīng)力，極易造成點(diǎn)腐蝕，以及由點(diǎn)腐蝕源所造成的應(yīng)力腐蝕破壞。如某化工企業(yè)一臺(tái)316L材質(zhì)的環(huán)己烷污水分離器，使用1 a后就發(fā)生腐蝕泄漏，而原污水分離器在使用304L的情況下正常運(yùn)行時(shí)間都超過(guò)2 a。檢修時(shí)在罐內(nèi)發(fā)現(xiàn)了大量焊瘤和飛濺痕跡，在焊瘤和飛濺部位，均可用肉眼看到腐蝕坑點(diǎn)(見(jiàn)圖5)。在該設(shè)備物料介質(zhì)中，僅有極少量乙酸和氯離子，在入口處的氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)僅2～5 μg/g，由于隨意起弧的焊瘤和飛濺給氯離子的聚集創(chuàng)造了條件，在污泥沉積后便形成由點(diǎn)腐蝕源構(gòu)成的應(yīng)力腐蝕破壞。

圖5 環(huán)己烷污水分離器脫水包與筒體焊縫

該設(shè)備僅在焊縫不合格部位出現(xiàn)腐蝕泄漏，其余部位均未發(fā)現(xiàn)明顯腐蝕，如果能嚴(yán)格按工藝要求控制焊接過(guò)程，該設(shè)備在氯離子含量很低的情況下，其使用壽命將大大延長(zhǎng)。

3.2 低合金碳鋼容器內(nèi)壁的開(kāi)裂

該案例為某核電廠還沒(méi)有投入使用的除氧器，按ASME Ⅷ-1卷進(jìn)行制造，材質(zhì)為SA516-G70，化學(xué)成分和機(jī)械性能相當(dāng)于Q345R，厚度38 mm。設(shè)備到現(xiàn)場(chǎng)后經(jīng)檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)容器內(nèi)壁有一處裂紋，見(jiàn)圖6。

圖6 核電站除氧器筒體內(nèi)部缺陷

經(jīng)UT檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)缺陷深度最大約11 mm。該缺陷發(fā)現(xiàn)后現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)人員認(rèn)為是母材質(zhì)量問(wèn)題，但裂紋周邊橢圓形痕跡與母材明顯不同，橢圓長(zhǎng)寬尺寸大約35 mm×20 mm，經(jīng)判斷裂紋周邊橢圓形痕跡內(nèi)的金屬為焊縫。該問(wèn)題產(chǎn)生的原因無(wú)資料可追蹤，分析為裝配時(shí)損傷了母材，而沒(méi)有按質(zhì)保程序進(jìn)行處理，在沒(méi)有焊接工藝指導(dǎo)的情況下進(jìn)行了私自補(bǔ)焊。從宏觀可以判斷，該缺陷是由夾渣引起的裂紋。

之所以把這個(gè)案例拿出來(lái)與大家分享，是因?yàn)楹穗娫O(shè)備在使用前的檢驗(yàn)非常嚴(yán)格，從而可以避免在使用過(guò)程中發(fā)生非正常失效。石化企業(yè)的設(shè)備驗(yàn)收一般以水壓試驗(yàn)和質(zhì)量證明文件為依據(jù)，基本沒(méi)有對(duì)罐體內(nèi)壁進(jìn)行檢驗(yàn)。只有加強(qiáng)使用前的嚴(yán)格檢驗(yàn)才有可能將該類安全隱患降到最低。

4 其他與腐蝕相關(guān)的制造問(wèn)題探討

4.1 關(guān)于換熱器管束的脹接問(wèn)題

換熱器管束的腐蝕泄漏不僅僅發(fā)生在管頭焊縫，許多脹接過(guò)的換熱管也有腐蝕泄漏的情況。普通奧氏體不銹鋼、雙相不銹鋼，以及15CrMo和12CrMo的換熱管都有許多在脹接部位存在非正常腐蝕泄漏的案例，如大連石化在2000年投入幾臺(tái)SAF2205的雙相不銹鋼管束使用不到3個(gè)月就發(fā)生多支換熱管穿孔，其穿孔部位均位于離管口15～20 mm處。還有許多企業(yè)也都有過(guò)奧氏體不銹鋼換熱管在脹接部位發(fā)生腐蝕泄漏的事故(見(jiàn)圖9)。由于泄漏點(diǎn)發(fā)生在離管頭焊縫較近的管子母材上，責(zé)任的劃定往往由制造企業(yè)和管材生產(chǎn)企業(yè)承擔(dān)，很多制造企業(yè)都被當(dāng)成了冤大頭。

德國(guó)巴斯夫公司在WN75-100的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定，當(dāng)管子內(nèi)外有腐蝕及應(yīng)力腐蝕介質(zhì)時(shí)，不推薦采用機(jī)械或其他方式脹管。北京鋼鐵研究總院的陸世英教授曾經(jīng)做過(guò)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)321不銹鋼材料的換熱管貼脹以后脹接變形臺(tái)階處的殘余應(yīng)力超過(guò)100 MPa。奧氏體不銹鋼在冷作變形過(guò)程中屈服強(qiáng)度會(huì)迅速上升，冷作硬化極其明顯，是構(gòu)成應(yīng)力腐蝕的直接原因。雙相不銹鋼中的奧氏體只有50%左右，在冷變形中不穩(wěn)定的奧氏體會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，是造成脹接部位腐蝕穿孔的主要原因。鉻鉬鋼塑性較低，淬硬傾向明顯，脹接后在臺(tái)階處的附加應(yīng)力很大，將會(huì)使脹接部位變脆。

奧氏體不銹鋼在脹接部位的腐蝕特征為微裂紋，雙相不銹鋼在脹接部位的腐蝕特征則主要為腐蝕穿孔，裂紋較少，而鉻鉬鋼在脹接部位的腐蝕特征主要為穿孔。因此，建議在所有存在氯離子及其它鹵素介質(zhì)的應(yīng)力腐蝕環(huán)境中，奧氏體不銹鋼、雙相不銹鋼和鉻鉬鋼換熱管都不進(jìn)行任何形式的脹接，應(yīng)以強(qiáng)度焊為主。

水壓試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)泄漏，304不銹鋼試壓時(shí)的水霧和15CrMo試壓時(shí)的水柱都是從離管端很近的管內(nèi)噴出來(lái)的，都是材料脹接以后缺成缺陷的影響。脹接的目的是防止殼程管板管孔與管子外壁發(fā)生縫隙腐蝕，但忽略了不同材質(zhì)的換熱管在形變應(yīng)力條件下的不適應(yīng)性，這種不適應(yīng)性將使管束使用壽命大大縮短。當(dāng)縫隙腐蝕與脹接的不適應(yīng)性發(fā)生沖突時(shí)，應(yīng)以兩害相權(quán)取其輕來(lái)考慮。

4.2 管件、膨脹節(jié)和封頭的腐蝕失效

奧氏體不銹鋼管件和膨脹節(jié)在實(shí)際使用過(guò)程中出現(xiàn)大量腐蝕失效的案例。與前述U型管冷作變形的原理一樣，管件和膨脹節(jié)在制造過(guò)程中的變形量都很大，只有固溶處理才能徹底消除形變應(yīng)力和微觀缺陷，但大多數(shù)管件制造企業(yè)以高溫拔制或高溫推制代替了固溶熱處理。在國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中，奧氏體不銹鋼膨脹節(jié)和封頭都沒(méi)有固溶熱處理的強(qiáng)制要求。如果使用單位的工況介質(zhì)中有硫化氫和氯離子等腐蝕介質(zhì)，建議在采購(gòu)技術(shù)條件中對(duì)不銹鋼管件、膨脹節(jié)和封頭提出固溶熱處理的要求。

圖7是膨脹節(jié)出現(xiàn)應(yīng)力腐蝕裂紋后補(bǔ)焊的圖片，裂紋出現(xiàn)在膨脹節(jié)翻邊的焊縫附近，為形變應(yīng)力與焊接應(yīng)力疊加后出現(xiàn)的應(yīng)力腐蝕失效。圖中圓孔是維修焊接前為阻止裂紋延伸的人工孔。

圖7 膨脹節(jié)翻邊邊緣應(yīng)力腐蝕裂紋及補(bǔ)焊

5 結(jié)束語(yǔ)

以上案例探討的內(nèi)容是國(guó)內(nèi)空冷器、換熱器、壓力容器等靜設(shè)備在制造和使用管理上的一些共性問(wèn)題，希望引起制造企業(yè)、使用單位以及行業(yè)管理部門的高度重視。國(guó)內(nèi)壓力容器制造企業(yè)幾千家，絕大多數(shù)是中小企業(yè)，在此也衷心希望國(guó)內(nèi)中小型壓力容器制造企業(yè)能夠真正從技術(shù)管理和質(zhì)量管理方面有所加強(qiáng)和提高。

(編輯 王維宗)

Case Study of Abnormal Failure of Stationary Equipment in Petrochemical Plant

ShuRuntao

(WuhanRunzhidaPetrochemicalEquipmentCompany,Wuhan430223，China)

The cases of abnormal corrosion failure of various equipment in petrochemical plant are briefly described.The cases involve abnormal fabrication of 08Cr2AlMo air cooler tubes; poor welding quality and impossibility of testing and maintenance caused by deep hole welding process of welding tube box first and then welding the tubes,the stress corrosion resulted from abnormal welding at R location of stainless steel U tube of heat exchanger without solution heat treatment; the quality control and technical issues of welding of Cr-Mo tubes; the stress corrosion caused by random arcing; the additional welding and quality control of materials damaged during installation; the stress corrosion of stainless steel and Cr Mo steel tubes; the cracking and stress corrosion as the result of the deformation of stainless steel of expansion joints and heads under the cooling effect.Each case is studied in detail,and specific solutions are proposed in respect of technical scheme and technical management.

stationary equipment,corrosion failure,air cooler,pressure vessel,expansion joint

2015-10-20；修改稿收到日期：2016-01-25。

束潤(rùn)濤(1966-)，總經(jīng)理，ITER項(xiàng)目-269 ℃超低溫部件焊接和熱處理技術(shù)攻關(guān)的課題負(fù)責(zé)人，長(zhǎng)期從事金屬材料腐蝕與防護(hù)的研究探討工作，擁有多項(xiàng)發(fā)明及實(shí)用新型專利，公開(kāi)發(fā)表論文10余篇。 E-mail:shu8088@263.net