時(shí)丕斌

中國(guó)石油遼河石化公司，遼寧盤錦 124022

奧氏體不銹鋼換熱管束管頭開(kāi)裂的修復(fù)實(shí)踐

時(shí)丕斌

中國(guó)石油遼河石化公司，遼寧盤錦 124022

換熱器受運(yùn)行溫度高、壓力大、溫差應(yīng)力引起的熱脹冷縮及腐蝕性介質(zhì)等因素的影響，其管板和換熱管焊接接頭極易產(chǎn)生裂紋。以某柴油加氫裂化裝置U型管式高壓換熱器為例，開(kāi)展奧氏體不銹鋼換熱管束管頭腐蝕開(kāi)裂的修復(fù)研究與實(shí)踐。通過(guò)理論分析、強(qiáng)度校核，制訂了合理的修復(fù)方案；經(jīng)滲透檢測(cè)、脫氫熱處理、機(jī)械加工、管頭焊接等使缺陷得以修復(fù)。經(jīng)過(guò)半年的實(shí)際運(yùn)行，證明修復(fù)效果良好。

管束；修復(fù)；焊接；裂紋；奧氏體不銹鋼

管殼式換熱器作為一種傳統(tǒng)的換熱設(shè)備，因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造方便、價(jià)格低廉、選材范圍廣、易于清洗等優(yōu)點(diǎn)而在各類換熱設(shè)備中占據(jù)主導(dǎo)地位。換熱器由于處在高溫及壓力狀態(tài)下運(yùn)行，此外，由于工作介質(zhì)的腐蝕性、溫差應(yīng)力引起的熱脹冷縮等因素，其管板焊接接頭極易產(chǎn)生裂紋，嚴(yán)重時(shí)將產(chǎn)生泄漏失效[1]。

某柴油加氫裂化裝置反應(yīng)產(chǎn)物/混氫油換熱器屬U型管式高壓換熱器，為使換熱器結(jié)構(gòu)更加緊湊，管殼程進(jìn)出口接管盡量靠近管板，并解決設(shè)備大型化帶來(lái)的密封問(wèn)題，將該換熱器的管箱及殼體設(shè)計(jì)成焊接一體化結(jié)構(gòu)，從而取消了傳統(tǒng)大法蘭式換熱器連接管殼程的設(shè)備法蘭[2]。換熱器停工檢修時(shí)發(fā)現(xiàn)，管板外側(cè)端面換熱管焊接接頭存在大量裂紋。經(jīng)分析，該換熱管焊接接頭應(yīng)力情況復(fù)雜，且工作部位曾形成氯離子腐蝕環(huán)境，當(dāng)材料處于拉應(yīng)力狀態(tài)，又與腐蝕介質(zhì)相互接觸的情況下，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間后，材料內(nèi)部的微裂紋在拉應(yīng)力及腐蝕介質(zhì)的雙重作用下擴(kuò)展，并發(fā)展到整個(gè)斷面，從而引起應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂[3]。為降低設(shè)備投資，并保證換熱器安全穩(wěn)定運(yùn)行，決定對(duì)管板焊接接頭開(kāi)裂缺陷進(jìn)行維修。

1 換熱器結(jié)構(gòu)

該換熱器結(jié)構(gòu)如圖1所示，其管程介質(zhì)為加氫反應(yīng)產(chǎn)物，工作壓力約為11 MPa，介質(zhì)入口溫度約289℃，出口溫度約230℃；殼程介質(zhì)為柴油及氫氣的混合物，其工作壓力約12 MPa，介質(zhì)入口溫度約105℃，出口溫度約180℃。

圖1 高壓換熱器結(jié)構(gòu)示意

該換熱器殼體材質(zhì)為12Cr2Mo1，換熱器管板及換熱管材質(zhì)均為316L。管板直徑為1 432 mm，厚度為185 mm，換熱管規(guī)格為φ19 mm×2.2 mm。采用脹焊并用方式，防止縫隙腐蝕發(fā)生[4]?？紤]到加氫裝置反應(yīng)系統(tǒng)工藝流程的特殊性，為了降低管板厚度，避免厚壁鍛件材料力學(xué)性能降低的風(fēng)險(xiǎn)，該換熱器管板采用差壓設(shè)計(jì)，其設(shè)計(jì)壓差為3.5 MPa。

換熱器抽管束清洗發(fā)現(xiàn)管板及焊接接頭處存在大量裂紋（如圖2所示），部分裂紋貫穿換熱管管頭，且裂紋多呈輻射狀分布，經(jīng)分析判斷開(kāi)裂原因?yàn)槁然飸?yīng)力腐蝕。

圖2 換熱管連接接頭與管板裂紋

2 確定修復(fù)方案

2.1 管板厚度計(jì)算

考慮到修復(fù)過(guò)程中，需去除管板表面開(kāi)裂金屬，消除裂紋缺陷，同時(shí)還應(yīng)滿足管板強(qiáng)度要求，因此需對(duì)管板厚度進(jìn)行分析計(jì)算校核，確定最大允許去除厚度。經(jīng)查詢?cè)O(shè)備圖紙及設(shè)計(jì)資料，并綜合考慮換熱器管板計(jì)算厚度、腐蝕余量、名義厚度及有效厚度等設(shè)計(jì)參數(shù)，最終確定管板最大允許去除厚度為5 mm。

為了初步判定管板及管頭裂紋深度，現(xiàn)場(chǎng)選定了管板開(kāi)孔區(qū)及邊緣非開(kāi)孔區(qū)兩處區(qū)域進(jìn)行機(jī)械打磨。經(jīng)打磨及滲透檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，管板開(kāi)孔區(qū)域裂紋深度約2 mm，其中最大裂紋深度分布在換熱管附近，裂紋深度約2.5 mm。邊緣非開(kāi)孔區(qū)域微裂紋深度約1.5 mm。

綜上，裂紋自管板及換熱管頭表面開(kāi)裂，并向縱深方向擴(kuò)展，而且裂紋較淺，未發(fā)現(xiàn)深度超過(guò)3 mm的裂紋，因此，可以通過(guò)去除表面開(kāi)裂金屬的方式予以修復(fù)。

2.2 滲透檢測(cè)

對(duì)換熱器管板表面進(jìn)行著色滲透檢測(cè)，以確定開(kāi)裂缺陷區(qū)域及具體部位，并根據(jù)檢測(cè)結(jié)果，標(biāo)記缺陷部位。重點(diǎn)檢測(cè)部位包括換熱管焊接接頭、換熱管端頭及換熱管內(nèi)表面。

2.3 脫氫處理

為防止機(jī)械加工過(guò)程中出現(xiàn)冷裂紋，機(jī)械加工前，需對(duì)換熱管與管板焊接接頭進(jìn)行脫氫處理，脫氫處理需要由適當(dāng)?shù)臏囟群捅貢r(shí)間來(lái)控制和保證，從而使氫在鋼中的殘存量減小到不損害鋼材的延伸率和截面收縮率為準(zhǔn)[5]。脫氫處理溫度下，氫的擴(kuò)散速度要比室溫時(shí)高得多，它能進(jìn)一步促使擴(kuò)散氫從焊縫金屬中逸出，通常情況下，鋼材加熱到300℃時(shí)，氫的擴(kuò)散速度為室溫時(shí)的數(shù)百倍[6]。為避免后續(xù)加工過(guò)程中產(chǎn)生氫致裂紋，確定脫氫處理溫度為350℃，恒溫時(shí)間為6～8 h。

2.4 機(jī)械加工及表面缺陷檢測(cè)

脫氫處理完成后，使用鏜床、銑床按標(biāo)記將管板缺陷處表面（包括換熱管）局部加工去除3 mm。去除金屬后，再次滲透檢測(cè)，如果仍有肉眼可見(jiàn)裂紋缺陷存在，則對(duì)該部位繼續(xù)銑削加工，最大允許去除深度不可超過(guò)5 mm，以滿足管板強(qiáng)度要求。

金屬表面機(jī)械加工完成后，對(duì)加工表面重新進(jìn)行滲透檢測(cè)，包括換熱管端頭及換熱管端部?jī)?nèi)表面，直至確定表面無(wú)缺陷。

2.5 換熱管焊接

確定金屬表面無(wú)裂紋缺陷后，重新加工管板倒角，焊接換熱管。管-管板的焊接結(jié)構(gòu)宜采用自動(dòng)氬弧焊，其焊接接頭的金相組織性能明顯優(yōu)于手工電弧焊，焊接缺陷率較低，微觀組織的改善將使換熱器抗應(yīng)力腐蝕的能力提高[7]。管-板自動(dòng)焊焊絲直徑較小，與手工氬弧焊相比，電弧更易深入至坡口根部，既能保證良好的熔透性能，又不易產(chǎn)生氣孔和夾渣等缺陷。

焊接工藝要求如下：采用鎢極氬弧焊自熔底層，鎢極氬弧焊面層，其中底層自熔電流為90～120 A，電壓為11～13 V，焊接速度為8～10 cm/min；氬弧焊接面層焊絲材質(zhì)/規(guī)格為H00Cr19Ni12Mo2/φ2.0，焊接電流為90～120 A，電壓為11～13 V，焊接速度為8～10 cm/min；焊接過(guò)程中，嚴(yán)格控制層間溫度不超過(guò)100℃。

換熱器管板角接接頭之間的距離較小，且和管板之間貼合比較緊密，采用常規(guī)的磁粉檢測(cè)和超聲檢測(cè)無(wú)法保證磁極和探頭具有良好的接觸耦合。此外，換熱器管板及換熱管壁厚度相差懸殊，采用常規(guī)的射線檢測(cè)方法，散射較嚴(yán)重，檢測(cè)效果難以保證。因此，對(duì)于換熱器管板角接接頭的無(wú)損檢測(cè)，多采用著色滲透檢測(cè)法[9]。

2.6 換熱管管端缺陷處理

若滲透檢測(cè)發(fā)現(xiàn)換熱管內(nèi)壁仍有裂紋，則將該換熱管強(qiáng)行抽出，切除部分缺陷管段后，按上述焊接工藝焊接。

如果換熱管缺陷長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)，按照上述方法仍無(wú)法去除缺陷時(shí)，則將該換熱管端部去除10 mm，增加管堵，廢棄該換熱管。管堵安裝示意如圖3所示。

圖3 換熱管管堵安裝示意

管堵焊接安裝前，需將待焊換熱管端部及內(nèi)表面清理干凈，并露出金屬光澤，施焊區(qū)域不應(yīng)留有影響焊接質(zhì)量的鐵屑、毛刺及油污等。然后，按照?qǐng)D3組對(duì)管堵與換熱管，并采用鎢極氬弧焊焊接角型焊縫。焊絲材質(zhì)/規(guī)格為H00Cr19Ni12Mo2/φ2.0，焊接電流為90～120 A，電壓為11～13 V，焊接速度為8～10 cm/min，焊接過(guò)程中嚴(yán)格控制層間溫度不超過(guò)100℃。焊接完成后進(jìn)行滲透檢測(cè)，質(zhì)量應(yīng)合格。

3 應(yīng)用效果

該管束在實(shí)際維修過(guò)程中，累計(jì)處理?yè)Q熱管管頭150余根，管板輕微裂紋兩處，管板表面銑削深度為3 mm，局部最大深度4 mm，滿足換熱器管板強(qiáng)度要求。管板表面缺陷維修后如圖4所示。

裂紋缺陷修復(fù)完成后，將該管束回裝至換熱器殼體進(jìn)行試壓試漏。試漏過(guò)程中發(fā)現(xiàn)8根換熱管泄漏，現(xiàn)場(chǎng)采取堵管處理后管束焊接接頭未再出現(xiàn)泄漏現(xiàn)象，并經(jīng)壓力試驗(yàn)及氣密試驗(yàn)合格。經(jīng)歷半年實(shí)際運(yùn)行證明，取得了良好的修復(fù)效果。

圖4 換熱器管板缺陷維修后

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)加氫裝置高壓換熱器奧氏體不銹鋼U型管束換熱管接頭腐蝕開(kāi)裂的實(shí)際案例，通過(guò)理論分析、機(jī)械加工及焊接檢測(cè)等手段制訂了管板開(kāi)裂缺陷修復(fù)方案，并進(jìn)行具體實(shí)踐。經(jīng)歷半年實(shí)際運(yùn)行證明，取得了良好的修復(fù)效果。奧氏體不銹鋼對(duì)氯離子腐蝕較為敏感，該類材料在使用過(guò)程中，應(yīng)通過(guò)工藝調(diào)整、加強(qiáng)注水等開(kāi)展好工藝防腐蝕工作，盡量避免形成氯離子腐蝕環(huán)境，才能保證設(shè)備的平穩(wěn)長(zhǎng)周期運(yùn)行。

[1]王一迅，陳文中.管殼式換熱器管板焊接接頭泄漏分析及防治措施[J].機(jī)電信息，2013（6）：99-100.

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Repair practice on tube head cracking of austenitic stainless steel heat exchange tube bundle

SHIPibin
PetroChina Liaohe PetrochemicalCompany，Panjin 124022，China

Cracks occur easily at the welding heads of heat exchange tubes and the tube plate of heat exchanger due to high temperature，high pressure and temperature stress as well as influence of corrosive medium.Taking the U type tubular high-pressure exchanger at a diesel hydrogenation unit for example，this paper conducts the research on tube head corrosive cracking of the austenitic stainless steelheat exchange tube bundle.The rationalrepair scheme is worked out through theoretical analysis and strength check.And by means of penetrant testing，dehydrogenation treatment，machining and tube head welding，the cracks are repaired.The practical operation of the heat exchanger for half a year proves the repair achieves the expected goal.

tube bundle；repair；welding；crack；austenitic stainless steel

10.3969/j.issn.1001-2206.2017.05.021

時(shí)丕斌（1986-），男，山東菏澤人，工程師，2009年畢業(yè)于遼寧石油化工大學(xué)，主要從事煉油設(shè)備技術(shù)管理與維護(hù)工作。Email：396953922@qq.com

2017-05-22