催化換熱管板裂紋原因分析

李韻（上海高橋捷派克石化工程建設(shè)有限公司，上海 200137）

催化換熱管板裂紋原因分析

李韻（上海高橋捷派克石化工程建設(shè)有限公司，上海 200137）

中石化高橋分公司#2催化裝置一臺(tái)給水預(yù)熱器管束在投入運(yùn)行不久，管板側(cè)滲漏嚴(yán)重造成緊急停運(yùn)。經(jīng)解體檢查，管板出現(xiàn)裂紋為本次事件的主因。針對(duì)這一缺陷，本文從制造質(zhì)量、原材料生產(chǎn)逐一剖析，深入闡述管板開裂原因，并提出相應(yīng)的防范措施及該事件最終的解決方案。

裂紋；防范措施；修復(fù)方案

本案例為U型管式換熱器，即換熱管彎成U型，兩端分別固定在同一管板上下兩區(qū)。管板作為換熱器的主要受壓原件，無論是原材料鍛造，加工制造都對(duì)其有至關(guān)重要的影響。

1 裂紋及狀態(tài)分析

#2催化一給水預(yù)熱器在管束更新、投入運(yùn)行近5個(gè)月后，管板密封面出現(xiàn)嚴(yán)重滲漏，迫使設(shè)備緊急停運(yùn)。因情況不明，對(duì)換熱器進(jìn)行解體檢查，抽出換熱管束后，在換熱器管板密封面外緣發(fā)現(xiàn)一道徑向裂紋，長(zhǎng)度約30mm，貫穿至最外緣，深度約5mm，同時(shí)集中交叉多道較淺的橫向裂紋，呈擴(kuò)張態(tài)。

由于管板裂紋的貫穿性導(dǎo)致介質(zhì)外漏，影響到設(shè)備運(yùn)行。一臺(tái)投用不久的換熱器，管板為何在如此短的時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)多道裂紋，原因值得深究。

1.1 制造狀態(tài)

采購的鍛件呈鍛坯狀態(tài)入庫，再由制造單位金加工，其表面層進(jìn)行車削、內(nèi)部鉆孔，這樣一來，表面層的硬度會(huì)有所改變，若硬度超標(biāo)或不到標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值，都會(huì)導(dǎo)致后期管板因工作狀態(tài)的改變而出現(xiàn)裂紋；此外，碳當(dāng)量是決定強(qiáng)度和可焊性的主要因素，也直接關(guān)系到裂紋敏感性指標(biāo)。一般制造單位在核對(duì)原材料各項(xiàng)化學(xué)成分后，不會(huì)進(jìn)一步復(fù)驗(yàn)（除有要求或者有疑點(diǎn)）。事實(shí)上兩項(xiàng)指標(biāo)在制造過程中沒有檢測(cè)，也給管板表層出現(xiàn)裂紋埋下隱患。

1.2 原材料生產(chǎn)狀態(tài)

管板原材料為連鑄圓坯，經(jīng)鍛件廠鍛造成型，尺寸為φ698* 100，采用正火熱處理。若鑄坯本身內(nèi)部組織不均勻、晶粒粗大，帶有金屬或非金屬夾渣物，如果鍛造過程中加熱工藝不當(dāng)，坯料內(nèi)外溫差較大產(chǎn)生熱應(yīng)力，這一應(yīng)力數(shù)值超過其本身強(qiáng)度極限，就會(huì)產(chǎn)生裂紋；此外若鍛造工藝不當(dāng)，在坯料加熱時(shí)產(chǎn)生氧化皮，鍛造過程中被鍛進(jìn)鍛件里，形成不規(guī)則片狀或點(diǎn)狀，潛伏于鍛件表層或表層不深處，為后續(xù)使用狀態(tài)（溫度、交變應(yīng)力）變化導(dǎo)致出現(xiàn)裂紋留下隱患；再者鍛造過程中當(dāng)溫度達(dá)到材料終鍛溫度以下，還強(qiáng)行鍛造，導(dǎo)致內(nèi)應(yīng)力劇增，硬化偏大、倒棱時(shí)壓下量過大等都會(huì)致使內(nèi)部出現(xiàn)裂紋；此外后續(xù)鍛件熱處理時(shí)，若鍛件受熱不均、冷卻方式不當(dāng)都會(huì)產(chǎn)生裂紋。

該16MnⅡ鍛件沒有在熱處理前后進(jìn)行超聲檢測(cè)（Ⅲ鍛件須進(jìn)行），所以對(duì)于鍛件內(nèi)部的裂紋無法及時(shí)發(fā)現(xiàn)，這也是本次鍛件出現(xiàn)裂紋最大的疑點(diǎn)。

2 防止管板裂紋的有效措施

管板出現(xiàn)裂紋的可能性較多，是一種或多種因素的疊加。管板出現(xiàn)裂紋后滲漏導(dǎo)致設(shè)備無法運(yùn)行造成的損失及危害也是相當(dāng)嚴(yán)重的。所以，在分析原因的同時(shí)，更應(yīng)采取有效措施，避免類似情況再次發(fā)生。

2.1 制造措施

對(duì)于采購狀態(tài)為鍛坯，入庫后需要進(jìn)一步金加工的材料，在管板車削加工后應(yīng)對(duì)其表面進(jìn)行硬度檢測(cè)，且硬度必須≤HB180。必要時(shí)還要做碳當(dāng)量的復(fù)驗(yàn)，確保碳當(dāng)量在允許范圍內(nèi)，從而徹底排除因制造過程導(dǎo)致管板出現(xiàn)裂紋的可能因素。

2.2 原材料生產(chǎn)措施

本次管板裂紋事件最大的可能因素就是原鍛坯生產(chǎn)問題，針對(duì)該過程分析：按照鍛件鍛造工藝流程，首先對(duì)鑄坯熔煉成分、碳當(dāng)量做確認(rèn)，再對(duì)其低倍組織進(jìn)行檢測(cè)，合格后進(jìn)入下一道工序。加熱時(shí)要確保鍛坯內(nèi)外受熱均勻，避免產(chǎn)生較大熱應(yīng)力，同時(shí)鍛造溫度應(yīng)控制在鍛件終鍛溫度以下的安全數(shù)值，不可超溫鍛造。選擇正確的鍛造工藝也是關(guān)鍵，為防止鍛造過程中將氧化皮等雜物鍛進(jìn)鍛件內(nèi)部或表層，首先要控制預(yù)鐓粗變形量，再者要保證壓實(shí)所需變形工藝參數(shù)，鍛坯的重量與壓機(jī)噸位要匹配，砧寬比及單位壓下量要滿足要求。另外必須控制終鍛火次及變形量，該過程是為修復(fù)前步鍛造工藝中可能產(chǎn)生的、探傷可見的夾雜性裂紋，同時(shí)利用鍛件高溫停鍛效應(yīng)，確保鍛件內(nèi)部晶粒尺寸均勻，防止產(chǎn)生混晶現(xiàn)象。后續(xù)鍛件熱處理過程參數(shù)控制也相當(dāng)關(guān)鍵。該鍛件采用正火熱處理，入爐溫度控制在400℃以下，升溫速度控制在350℃以下，保溫溫度為920℃±10℃，保溫時(shí)間3h，要求均熱，采用空氣冷卻，出爐溫度為920℃±10℃。此外，保險(xiǎn)起見，對(duì)重要鍛件在熱處理后應(yīng)進(jìn)行超聲檢測(cè)，確保鍛件內(nèi)部無裂紋。

3 管板裂紋修復(fù)方案

因設(shè)備無法長(zhǎng)時(shí)間停運(yùn)，當(dāng)即對(duì)該換熱設(shè)備管板出現(xiàn)的裂紋進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)修復(fù)，返修方案具體如下：

3.1 碳弧氣刨清除裂紋區(qū)域

用石棉布對(duì)換熱管進(jìn)行遮蔽保護(hù)，碳弧氣刨刨出弧坑、清除裂紋。用旋轉(zhuǎn)銼打磨，使弧坑內(nèi)部露出金屬光澤。采用著色探傷，確認(rèn)管板上的裂紋已經(jīng)徹底清除。

3.2 補(bǔ)焊及焊后打磨

使用手工焊修補(bǔ)，焊條牌號(hào)J507，直徑4.0mm，焊接電流140～160A，焊接電壓22～25V，弧坑長(zhǎng)度40mm，弧坑深度10mm，焊接前不需要預(yù)熱，但焊接時(shí)需控制層間溫度，層間溫度≤150℃。每堆焊一層后必須徹底清除藥皮，防止夾渣。焊縫應(yīng)略高于母材，且無咬邊及表面缺陷。

用磨光機(jī)清除焊縫高出的部分，因焊縫有一部分處于管板密封面，用拋光砂輪打磨出密封面，使之光潔度≤12.5。

3.3 超聲檢測(cè)

對(duì)堆焊區(qū)域進(jìn)行超聲波探傷，滿足超聲檢測(cè)Ⅰ級(jí)合格后管板方可再次投入使用。

4 結(jié)語

該臺(tái)催化預(yù)熱器管板裂紋修復(fù)完畢，設(shè)備重新投入使用，本次故障缺陷徹底消除。管板裂紋迫使設(shè)備緊急停運(yùn)造成的損失不言而喻，為防此類事件重蹈覆轍，從管板原材料鍛造到設(shè)備加工制造，乃至設(shè)備投用后的運(yùn)行操作都應(yīng)嚴(yán)格按照工序要求進(jìn)行，切不可有半點(diǎn)偏差。

[1]NB∕T47008-2010，承壓設(shè)備用碳素鋼和合金鋼鍛件.

[2]GB151-2014，熱交換器.

[3]鍛造加工技術(shù) 化工工業(yè)出版社.

[4]NB∕T47015-2011，壓力容器焊接規(guī)程.