聞慶松，陳賢洮，焦慶雨，何家龍，程 楷，鄧燕燕

（1.合肥通用機(jī)械研究院有限公司 國家壓力容器與管道安全工程技術(shù)研究中心安徽省壓力容器與管道安全技術(shù)省級實(shí)驗(yàn)室，安徽合肥 230031；2.國機(jī)特種設(shè)備檢驗(yàn)有限公司，安徽合肥 230031；3.中國石油大慶石化分公司，黑龍江大慶 163000）

0 引言

螺紋鎖緊環(huán)式換熱器是一種主要工作于高溫、高壓下特殊的U 形管型熱交換設(shè)備。它不僅能在高溫、高壓環(huán)境下穩(wěn)定運(yùn)行，投用期間密封性可靠、不容易發(fā)生泄漏，而且設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊、整體占地面積小、易于在線維護(hù)和保養(yǎng)、換熱性能好。因此近些年來廣泛投用于大型煉油企業(yè)加氫裂化和加氫精制裝置。近年來，多家石化企業(yè)發(fā)生多起螺紋鎖緊環(huán)式換熱器合攏縫開裂失效事故，如泉州某石化公司、天津某石化公司及北京某石化公司螺紋鎖緊環(huán)式換熱器合攏縫發(fā)生開裂泄漏，茂名某石化公司螺紋鎖緊環(huán)式換熱器在使用一個周期（3 年）后，定期檢驗(yàn)時在合攏縫上發(fā)現(xiàn)一處表面裂紋，并經(jīng)超聲檢測[1]確定裂紋長度20 mm，深度4 mm。上述螺紋鎖緊環(huán)式換熱器開裂具有以下4 個共同特點(diǎn)：①裂紋未擴(kuò)展進(jìn)入母材；②開裂部位均發(fā)生在管箱與殼體的環(huán)焊縫（合攏縫）上，其主要特征為橫向裂紋；③裂紋附近的焊縫金屬硬度值偏高；④使用材料均為Cr-Mo 鋼。

1 設(shè)計參數(shù)及其特點(diǎn)

螺紋鎖緊環(huán)式換熱器應(yīng)用范圍較為廣泛，其管、殼程設(shè)計壓力集中在9.0～20.0 MPa、2.5～20.0 MPa。管、殼程的設(shè)計溫度均在220～435 ℃。管、殼程的工作介質(zhì)一般含有H2、帶有H2S 的油氣等。設(shè)備公稱直徑通常在600～1800 mm 范圍內(nèi)，設(shè)備主體材料采用2.25Cr-1Mo、1.25Cr-0.5Mo-Si、15CrMo 和16Mn，換熱器管束部件主體材料通常為0Cr18Ni10Ti 或15CrMo。螺紋鎖緊環(huán)式換熱器結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 螺紋鎖緊環(huán)式換熱器結(jié)構(gòu)

1.1 筒體成形

螺紋鎖緊環(huán)式換熱器筒體主要由管程筒體和殼程筒體兩部分構(gòu)成。通常情況下，管程的筒體選用鍛件進(jìn)行制作，殼程筒體主要選用40～120 mm 厚度范圍的板材制作而成。制作時先將殼程的各個筒節(jié)在大型切割機(jī)上進(jìn)行切割下料處理，制備出大量適宜的縱縫坡口，然后將其在卷板機(jī)設(shè)備上卷制成形，再將卷制成型的各個筒節(jié)的縱焊縫進(jìn)行焊后消除應(yīng)力熱處理，機(jī)械加工筒節(jié)的內(nèi)表面及其環(huán)焊縫坡口，最后將尺寸檢驗(yàn)合格的各筒節(jié)組焊在一起，完成殼程筒體的制作。

1.2 焊接

螺紋鎖緊環(huán)式換熱器的主體材料大多數(shù)由Cr-Mo鋼構(gòu)成，而此類材料的特點(diǎn)是對焊接冷裂紋較為敏感。由于受到焊縫中溶解的含氫介質(zhì)以及焊接殘余應(yīng)力不能充分釋放等因素的影響，在Cr-Mo 鋼材料的焊接過程中極易產(chǎn)生焊接裂紋和焊后的延遲裂紋。因此，對此類材料焊接過程中需采取焊前預(yù)熱、控制層間溫度、焊后及時消氫處理和焊后消除殘余應(yīng)力等保護(hù)措施。同時其所有焊縫在進(jìn)行消除應(yīng)力熱處理前，還要保證各個焊縫坡口以及其兩側(cè)（通常約為1 倍的壁厚，并且不小于100 mm）范圍內(nèi)的母材溫度應(yīng)始終處于不低于預(yù)熱溫度且不高于層間溫度區(qū)間內(nèi)，直至整個焊接過程完成。如果焊接過程中出現(xiàn)中斷，還應(yīng)該保持焊縫坡口以及其兩側(cè)（通常約為1 倍的壁厚，并且不小于100 mm）范圍內(nèi)的母材溫度始終處于預(yù)熱溫度狀態(tài)之上，直到能重新焊接為止。否則應(yīng)該在中斷工作后及時進(jìn)行消氫處理[2]。

1.3 熱處理

根據(jù)螺紋鎖緊環(huán)式換熱器的工藝特點(diǎn)，其管箱內(nèi)部的部分螺紋需要在最終熱處理之后進(jìn)行制造和加工，因此需要先將換熱器的管箱與殼體分別單獨(dú)進(jìn)行熱處理。管箱與殼體在焊后消除應(yīng)力熱處理過程中，采取緩慢上升溫度等措施，首先在管箱及殼體內(nèi)外壁上采用多部位、分布式熱點(diǎn)偶進(jìn)行溫度控制和測量，最后將其在全微機(jī)程控油爐中進(jìn)行整體熱處理。對管箱與殼體的環(huán)焊縫（合攏縫）采用局部最終熱處理。

2 典型開裂案例分析

2016 年9 月，中石化某公司煉油一部加氫裂化裝置一臺螺紋鎖緊環(huán)式換熱器發(fā)生物料泄漏，泄漏位置位于管箱與殼體的環(huán)焊縫（即合攏縫）上（圖2）。該設(shè)備2014 年6 月投入使用至發(fā)生泄漏時累計運(yùn)行時間約為2 年3 個月。設(shè)備主要性能參數(shù)如表1 所示。

表1 螺紋鎖緊環(huán)換熱器主要性能參數(shù)

圖2 開裂部位

2.1 裂紋宏觀形貌

對泄漏位置進(jìn)行宏觀檢驗(yàn)和表面磁粉檢測，發(fā)現(xiàn)開裂部位裂紋長度約40 mm，為貫穿性橫向裂紋，裂紋位于管箱與殼體的環(huán)焊縫（合攏縫）上，開裂部位裂紋形貌如圖3 所示。

圖3 開裂部位裂紋形貌

2.2 金相分析

在環(huán)焊縫的裂紋附近進(jìn)行現(xiàn)場金相分析，在光學(xué)顯微鏡下觀察其微觀組織形貌。裂紋的微觀形貌如圖4 所示。裂紋的走向主要以穿晶為主，多分枝，偶見有沿晶特征且末端無分叉，存在馬氏體淬硬組織。從裂紋宏觀和微觀形貌特征判斷，與延遲冷裂紋特性相符。

圖4 裂紋尖端金相照片（400×）

2.3 硬度檢測

對該換熱器合攏縫進(jìn)行硬度檢測，檢測位置和結(jié)果見表2。從表中的數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)：環(huán)焊縫上共檢測了5 處位置，其中有4 處位置硬度值偏高且均超出了GB 50683—2011 設(shè)計文件規(guī)定，尤其是裂紋附近處焊縫的最大硬度值達(dá)到330 HB；而焊縫兩側(cè)母材的硬度值總體偏低，符合焊縫及母材硬度值小于225 HB 的設(shè)計文件規(guī)定[3]。

表2 硬度檢測結(jié)果HB

2.4 分析結(jié)論

螺紋鎖緊環(huán)換熱器合攏縫開裂的主要是焊縫兩側(cè)的結(jié)構(gòu)不連續(xù)性，導(dǎo)致焊接難度變大，合攏縫不能進(jìn)行整體熱處理，而只能采取電加熱方式的局部熱處理，效果不佳，焊縫中的擴(kuò)散氫未充分溢出，引發(fā)氫致開裂。同時材料內(nèi)部的殘余應(yīng)力也難以充分的釋放出來，容易造成焊縫硬度過高。

3 討論

3.1 制造方面

Cr-Mo 鋼具有使用強(qiáng)度高、鋼種的淬硬傾向大、焊接過程中易產(chǎn)生延遲裂紋等特性，從而造成Cr-Mo 鋼整體焊接性能較差，焊接接頭成為壓力容器焊接結(jié)構(gòu)中最為薄弱、最容易出現(xiàn)事故的環(huán)節(jié)。所以熱處理就成為均勻焊縫內(nèi)部組織、改善材料韌性的最為重要的一種方式。

為了解決Cr-Mo 鋼焊接性能差、易產(chǎn)生焊接冷裂紋等問題。主要采取的方式有：焊前仔細(xì)檢查焊接坡口質(zhì)量、焊前預(yù)熱、控制焊接能量和層間溫度、選用合理的焊材進(jìn)行施焊、焊后及時熱處理、焊接過程中嚴(yán)格按照焊接評定工藝進(jìn)行施焊等關(guān)鍵環(huán)節(jié)來獲得優(yōu)質(zhì)的焊接組織以及性能。從此次開裂案例中發(fā)現(xiàn)，設(shè)備的制造環(huán)節(jié)把關(guān)不嚴(yán)，容易使得焊接的接頭質(zhì)量不符合要求。作為使用單位應(yīng)在設(shè)備制造過程中加強(qiáng)監(jiān)督，避免材料的原始制造缺陷，在制造完成后應(yīng)按照相關(guān)技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行合理質(zhì)量驗(yàn)收等方式，這些舉措都將成為保障壓力容器長周期運(yùn)行的關(guān)鍵一環(huán)。

3.2 設(shè)計方面

由于螺紋鎖緊環(huán)式換熱器合攏縫兩側(cè)結(jié)構(gòu)不連續(xù)性，合攏縫截面如圖5 所示，易產(chǎn)生應(yīng)力集中，從而導(dǎo)致焊縫開裂傾向升高。因此從換熱器設(shè)計方面考慮，應(yīng)適當(dāng)延長換熱器合攏縫管箱鍛件側(cè)的過渡段，以緩解其兩側(cè)結(jié)構(gòu)不連續(xù)帶來的應(yīng)力集中問題。

圖5 合攏縫截面

3.3 檢驗(yàn)檢測方面

在定期檢驗(yàn)過程中，需根據(jù)螺紋鎖緊環(huán)式換熱器的實(shí)際情況嚴(yán)格制定檢驗(yàn)方案，針對Cr-Mo鋼設(shè)備適當(dāng)增加焊縫的硬度檢測。理化檢驗(yàn)時應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注每臺設(shè)備的合攏縫，對該焊縫多個方位進(jìn)行硬度檢測時，若發(fā)現(xiàn)硬度異常情況處應(yīng)增加金相分析。

在無損檢測方面，對螺紋鎖緊環(huán)式換熱器合攏縫進(jìn)行100%內(nèi)表面磁粉檢測及焊縫內(nèi)部超聲波檢測時，需要注意以下情況：①由于Cr-Mo 鋼的焊接特性，其產(chǎn)生裂紋的方向大多數(shù)為橫向，因此在采用單磁軛法對合攏縫進(jìn)行100%磁粉檢測過程中，應(yīng)注意兩磁軛與裂紋產(chǎn)生方向之間的夾角。當(dāng)磁力線與環(huán)焊縫圓周方向平行時，應(yīng)反復(fù)幾次并仔細(xì)觀察，避免橫向缺陷的漏檢；②合攏縫進(jìn)行100%超聲檢測時，因根據(jù)壁厚的不同，至少采用一種直探頭和兩種以上K 值的斜探頭從不同方向?qū)ν獗谶M(jìn)行掃查，并增加K1 斜探頭平行于環(huán)焊縫圓周方向進(jìn)行橫向缺陷的掃查。

4 結(jié)束語

根據(jù)對多起螺紋鎖緊環(huán)式換熱器合攏縫開裂的分析結(jié)果表明，制造質(zhì)量不佳（包括結(jié)構(gòu)不連續(xù)、局部熱處理效果不佳、原始制造缺陷未檢出等）是導(dǎo)致開裂發(fā)生的直接原因，因此，加強(qiáng)制造質(zhì)量控制是預(yù)防螺紋鎖緊環(huán)式換熱器合攏縫開裂的有效措施；在換熱器定期檢驗(yàn)方案編制過程中，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注Cr-Mo 設(shè)備的合攏縫，對其進(jìn)行100%無損檢測及理化分析，并提高檢測精度。