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        高溫環(huán)境膨脹節(jié)開裂原因分析及修復(fù)案例

        2021-07-23 07:02:12楊永磊
        全面腐蝕控制 2021年5期
        關(guān)鍵詞:波峰波紋管部件

        楊永磊 張 娟

        (中國石油集團(tuán)公司青海油田分公司,青海 格爾木 816000)

        0 引言

        本文提到的高溫環(huán)境膨脹節(jié)是指長期輸送介質(zhì)溫度為550oC以上或外界環(huán)境為450oC以上的金屬膨脹節(jié),而且連接短接及其部件材質(zhì)為16MnR、15CrMo或Cr5Mo,波紋管材質(zhì)為TP304或TP321不銹鋼的膨脹節(jié)。這些材質(zhì)的膨脹節(jié)及其部件由于母材的成分不均勻或存在缺陷、安裝工序不合理、環(huán)境溫度的波動(dòng)、使用操作不當(dāng)、輸送介質(zhì)有害元素的滲入或者是焊后熱處理不到位等原因,導(dǎo)致碳化,脆性增加,塑性、韌性降低,在反復(fù)膨脹收縮的情況下產(chǎn)生裂紋,影響使用,嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致報(bào)廢。尤其,材質(zhì)為TP304H不銹鋼的波紋管在450~850oC之間很容易形成脆硬組織,容易產(chǎn)生裂紋;異種鋼接口長期高溫運(yùn)行,也使級(jí)別較低的一側(cè)發(fā)生蠕變導(dǎo)致開裂,所以不論什么材質(zhì)的膨脹節(jié)在設(shè)計(jì)安裝時(shí)都有保護(hù)蒸汽,來防止膨脹節(jié)長期超溫影響生產(chǎn)。圖1為膨脹節(jié)上的勁板,材質(zhì)為16MnR由于超溫發(fā)生開裂。

        1 膨脹節(jié)開裂原因分析

        高溫環(huán)境使用的膨脹節(jié)其部件有:波紋管、連接短接、鏈條、蒸汽保護(hù)環(huán)、固定螺栓、內(nèi)部套管。波紋管和內(nèi)部套管材質(zhì)多為TP304或TP321不銹鋼,連接短接及其部件材質(zhì)為16MnR、15CrMo或Cr5Mo,當(dāng)然也有一些材質(zhì)為20#鍋爐鋼。膨脹節(jié)在長期連續(xù)運(yùn)行過程中不論是哪一種材質(zhì),那一部件都有開裂的可能,其主要原因有以下幾點(diǎn):

        1.1 本體缺陷

        膨脹節(jié)及其部件所使用的16MnR、TP304等材質(zhì)的本體或焊縫在制造過程中存在偏析,也有的留有坑點(diǎn)、夾層甚至微小的裂紋源,這些缺陷在膨脹節(jié)反復(fù)波動(dòng)以及輸送介質(zhì)有害成分的影響下都會(huì)不斷擴(kuò)展導(dǎo)致開裂,當(dāng)然有些也會(huì)導(dǎo)致腐蝕穿孔,不易使用。

        1.2 制作、安裝缺陷

        膨脹節(jié)及其部件都是現(xiàn)場組對(duì)焊接的,所以難免有點(diǎn)扭曲變形,安裝時(shí)就會(huì)強(qiáng)行矯正,使安裝后的膨脹節(jié)始終殘留有應(yīng)力。再者,膨脹節(jié)安裝標(biāo)準(zhǔn)要求比較嚴(yán)格,要先做預(yù)變形,組對(duì)時(shí)不得采用膨脹節(jié)變形的方法來調(diào)節(jié)錯(cuò)位,保證組對(duì)和運(yùn)行過程中處于低應(yīng)的自由狀態(tài);焊接時(shí)焊渣不得飛濺到波紋管上,防止出現(xiàn)點(diǎn)狀碳化和坑點(diǎn),安裝好以后要將膨脹節(jié)固定螺栓松開到一定程度,活動(dòng)鏈條都能自由活動(dòng),不得有物體擋害,保證運(yùn)行過程在一定范圍內(nèi)自由膨脹收縮。但是,往往施工人員不按標(biāo)準(zhǔn)施工,安裝時(shí)隨意調(diào)整膨脹節(jié)固定螺栓,導(dǎo)致其安裝后處于自由狀態(tài),而運(yùn)行起來始終處于變形受力狀態(tài),這樣尤其波紋管和波紋管與短接的焊接接頭就會(huì)受應(yīng)力的影響產(chǎn)生裂紋。

        1.3 輸送介質(zhì)的影響

        膨脹節(jié)一般都用在生產(chǎn)裝置的特殊部位,尤其高溫環(huán)境的膨脹節(jié)所輸送的介質(zhì)往往含有大量的S 、P、H2、N2等有害物質(zhì),經(jīng)過長期的連續(xù)運(yùn)行,逐漸滲入金屬內(nèi)部,對(duì)金屬的機(jī)械性能有著極大的影響,在介質(zhì)壓力、溫度以及外界載荷的影響下,收縮膨脹頻繁,導(dǎo)致化學(xué)成分已發(fā)生變化的母材產(chǎn)生裂紋或加速腐蝕穿孔,特別是波紋管和異種材質(zhì)接頭非常容易產(chǎn)生裂紋。

        1.4 制作、安裝輸送介質(zhì)運(yùn)行溫度的影響

        波紋管和內(nèi)部套管材質(zhì)多為TP304或TP321不銹鋼,連接短接及其部件材質(zhì)為16MnR、15CrMo、Cr5Mo或20#鍋爐鋼的膨脹節(jié),大部分都用在450~550℃的溫度區(qū)間,而TP304和TP321這些奧氏體不銹鋼如果長時(shí)間在450~850℃之間運(yùn)行很容易形成脆硬組織,容易產(chǎn)生裂紋;16MnR、15CrMo、Cr5Mo和20#鍋爐鋼長時(shí)間在450~550℃的溫度區(qū)間運(yùn)行也會(huì)發(fā)生蠕變或逐漸滲碳,在溫度波動(dòng)以及外界載荷的作用下就會(huì)開裂,嚴(yán)重時(shí)會(huì)斷裂。

        1.5 使用操作存在問題

        對(duì)于管道部件而言,膨脹節(jié)是最為脆弱的部件,不論制作安裝還是操作使用都容易損壞。使用操作的人員多,技術(shù)水平高低不一,換崗時(shí)技術(shù)交底不到位,導(dǎo)致輸送介質(zhì)流量不一,溫度不斷變化,急劇冷卻或升溫使金屬晶粒變得粗大,脆性增加而塑性和韌性降低,反反復(fù)復(fù)的膨脹收縮使其加速開裂。

        2 膨脹節(jié)裂紋修復(fù)

        膨脹節(jié)長時(shí)間在高溫環(huán)境運(yùn)行,波紋管及部件都有可能出現(xiàn)裂紋或穿孔,影響使用,影響生產(chǎn)。為了保證生產(chǎn),延長膨脹節(jié)使用壽命,要對(duì)破損的部位進(jìn)行修復(fù)。本文就以蒸汽保護(hù)環(huán)斷裂孔洞修復(fù)和波紋管波峰修復(fù)為例,講述的具體過程。

        2.1 蒸汽保護(hù)環(huán)斷裂孔洞修復(fù)

        一般情況下,高溫環(huán)境的膨脹節(jié)都設(shè)有材質(zhì)為20#鍋爐鋼蒸汽保護(hù)環(huán),并與不銹鋼短節(jié)相互連接。在正常情況下保護(hù)環(huán)始終輸送著蒸汽,短時(shí)間內(nèi)不會(huì)出現(xiàn)問題,而時(shí)間久了如15年以上時(shí)管道堵塞蒸汽流通不暢,就會(huì)導(dǎo)致高溫部位(與膨脹節(jié)短節(jié)連接處)嚴(yán)重碳化斷裂,為了保證其連續(xù)使用,可以進(jìn)行修復(fù)。具體步驟如下:

        (1)先將膨脹節(jié)斷裂的部位擴(kuò)大到150mm左右進(jìn)行切割,然后用相同材質(zhì)、相同規(guī)格的板材按標(biāo)準(zhǔn)打磨出規(guī)則的坡口,再把內(nèi)外的滲碳層打磨干凈,選用A307焊條,105A的焊接電流進(jìn)行點(diǎn)固、焊接,以便進(jìn)一步細(xì)化接頭晶粒,降低氧的含量,縮短450~850oC之間的停留時(shí)間,降低脆性,提高塑性和韌性;

        (2)蒸汽環(huán)恢復(fù)時(shí),將原來的環(huán)形管全部更換,與筒體連接的短節(jié)更換為TP304加厚短節(jié),使異種接口遠(yuǎn)離高溫區(qū),并且移位安裝,對(duì)接部位要與修復(fù)的部位錯(cuò)開300mm以上。所有焊接部位按標(biāo)準(zhǔn)打磨出規(guī)則的坡口,再把內(nèi)外的滲碳層打磨干凈,除了20#鍋爐鋼同種材質(zhì)焊接以外,其余的都選用A307焊條,105A的焊接電流進(jìn)行點(diǎn)固、焊接。

        2.2 波紋管波峰修復(fù)

        膨脹節(jié)波紋管往往容易在內(nèi)外波峰峰頂開裂或穿孔,其主要原因是運(yùn)行時(shí)膨脹節(jié)沒有完全處于自由狀態(tài),受力不均勻,各個(gè)波峰收縮膨脹不一致,時(shí)間久了收縮量較大的波峰就會(huì)出現(xiàn)疲勞斷裂。穿孔根自由膨脹收縮沒有太大關(guān)系,但是絕對(duì)離不開化學(xué)成分不勻和介質(zhì)的腐蝕。不論是開裂還是穿孔,都可以進(jìn)行修復(fù)。具體步驟如下:

        2.2.1 切割挖除

        切割時(shí)兩端要離開缺陷端點(diǎn)20mm以上,兩側(cè)要位于波峰兩側(cè)的平面上,且高度不大于峰高的50%,并清理油、銹等雜質(zhì),同時(shí)打磨出標(biāo)準(zhǔn)的破口。

        2.2.2 材料預(yù)制、組對(duì)

        根據(jù)切下來的樣品規(guī)格尺寸尋找或制作相同的波峰塊,并將組對(duì)部位清理干凈,同時(shí)打磨出標(biāo)準(zhǔn)的破口。組對(duì)時(shí)不留間隙。

        2.2.3 焊接

        采用全氬,鎳基焊絲,逆變直流焊機(jī)正接法,全熔透操作方法進(jìn)行焊接。 焊接順序:點(diǎn)固焊焊縫位置及焊接順序如圖2所示。焊接順序?yàn)椋?-2-3-4-5-6-7-8;焊接方向:1,2段為由C,D點(diǎn)向右;3,4段為由C,D點(diǎn)向左;5,6,7,8段為由下向上。

        3 質(zhì)量檢驗(yàn)

        不論是波紋管波峰、孔洞還是其它部位焊接修復(fù),切割前必須對(duì)損壞部位進(jìn)行著色檢測,對(duì)缺陷范圍進(jìn)行確定。15CrMo、Cr5Mo等耐熱鋼焊接修復(fù)時(shí),要按標(biāo)準(zhǔn)預(yù)熱、消氫以及熱處理。任何焊縫焊后外觀平整美觀,熱影響區(qū)及焊縫硬度符合相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)要求。 波紋管波峰焊后內(nèi)側(cè)要平滑且余高小于0,外側(cè)消除余高并拋光處理。 修復(fù)的對(duì)接焊縫盡量進(jìn)行射線探傷,探傷結(jié)果達(dá)到Ⅱ級(jí)以上,再進(jìn)行管道正常壓力的1.25倍的水壓實(shí)驗(yàn),無泄漏為合格。角焊縫應(yīng)先做著色檢驗(yàn),無缺陷后再進(jìn)行水壓實(shí)驗(yàn)。

        4 結(jié)語

        從實(shí)踐中可以看出,高溫環(huán)境長期連續(xù)運(yùn)行金屬膨脹節(jié)及其部件開裂原因比較復(fù)雜,如果控制裂紋或其他問題的出現(xiàn),還要從設(shè)計(jì)、制造、安裝、使用等多方面著手進(jìn)行。至于修復(fù)是為了保證生產(chǎn)應(yīng)急的一種暫時(shí)性的手段,而長期連續(xù)運(yùn)行修復(fù)部位有可能還會(huì)重復(fù)出現(xiàn)問題。所以膨脹節(jié)如果出現(xiàn)問題,就要及時(shí)備貨找機(jī)會(huì)更換,以免耽誤生產(chǎn)。

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