奧氏體不銹鋼換熱管束管頭開裂的修復實踐

時丕斌

中國石油遼河石化公司，遼寧盤錦 124022

奧氏體不銹鋼換熱管束管頭開裂的修復實踐

時丕斌

中國石油遼河石化公司，遼寧盤錦 124022

換熱器受運行溫度高、壓力大、溫差應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，開展奧氏體不銹鋼換熱管束管頭腐蝕開裂的修復研究與實踐。通過理論分析、強度校核，制訂了合理的修復方案；經(jīng)滲透檢測、脫氫熱處理、機械加工、管頭焊接等使缺陷得以修復。經(jīng)過半年的實際運行，證明修復效果良好。

管束；修復；焊接；裂紋；奧氏體不銹鋼

管殼式換熱器作為一種傳統(tǒng)的換熱設備，因其結(jié)構(gòu)簡單、制造方便、價格低廉、選材范圍廣、易于清洗等優(yōu)點而在各類換熱設備中占據(jù)主導地位。換熱器由于處在高溫及壓力狀態(tài)下運行，此外，由于工作介質(zhì)的腐蝕性、溫差應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，嚴重時將產(chǎn)生泄漏失效[1]。

某柴油加氫裂化裝置反應產(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，管殼程進出口接管盡量靠近管板，并解決設備大型化帶來的密封問題，將該換熱器的管箱及殼體設計成焊接一體化結(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備法蘭[2]。換熱器停工檢修時發(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力情況復雜，且工作部位曾形成氯離子腐蝕環(huán)境，當材料處于拉應力狀態(tài)，又與腐蝕介質(zhì)相互接觸的情況下，經(jīng)過一定時間后，材料內(nèi)部的微裂紋在拉應力及腐蝕介質(zhì)的雙重作用下擴展，并發(fā)展到整個斷面，從而引起應力腐蝕開裂[3]。為降低設備投資，并保證換熱器安全穩(wěn)定運行，決定對管板焊接接頭開裂缺陷進行維修。

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]。考慮到加氫裝置反應系統(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性能降低的風險，該換熱器管板采用差壓設計，其設計壓差為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)分析判斷開裂原因為氯化物應力腐蝕。

圖2 換熱管連接接頭與管板裂紋

2 確定修復方案

2.1 管板厚度計算

考慮到修復過程中，需去除管板表面開裂金屬，消除裂紋缺陷，同時還應滿足管板強度要求，因此需對管板厚度進行分析計算校核，確定最大允許去除厚度。經(jīng)查詢設備圖紙及設計資料，并綜合考慮換熱器管板計算厚度、腐蝕余量、名義厚度及有效厚度等設計參數(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)場選定了管板開孔區(qū)及邊緣非開孔區(qū)兩處區(qū)域進行機械打磨。經(jīng)打磨及滲透檢測發(fā)現(xiàn)，管板開孔區(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裂，并向縱深方向擴展，而且裂紋較淺，未發(fā)現(xiàn)深度超過3 mm的裂紋，因此，可以通過去除表面開裂金屬的方式予以修復。

2.2 滲透檢測

對換熱器管板表面進行著色滲透檢測，以確定開裂缺陷區(qū)域及具體部位，并根據(jù)檢測結(jié)果，標記缺陷部位。重點檢測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

為防止機械加工過程中出現(xiàn)冷裂紋，機械加工前，需對換熱管與管板焊接接頭進行脫氫處理，脫氫處理需要由適當?shù)臏囟群捅貢r間來控制和保證，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[5]。脫氫處理溫度下，氫的擴散速度要比室溫時高得多，它能進一步促使擴散氫從焊縫金屬中逸出，通常情況下，鋼材加熱到300℃時，氫的擴散速度為室溫時的數(shù)百倍[6]。為避免后續(xù)加工過程中產(chǎn)生氫致裂紋，確定脫氫處理溫度為350℃，恒溫時間為6～8 h。

2.4 機械加工及表面缺陷檢測

脫氫處理完成后，使用鏜床、銑床按標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，如果仍有肉眼可見裂紋缺陷存在，則對該部位繼續(xù)銑削加工，最大允許去除深度不可超過5 mm，以滿足管板強度要求。

金屬表面機械加工完成后，對加工表面重新進行滲透檢測，包括換熱管端頭及換熱管端部內(nèi)表面，直至確定表面無缺陷。

2.5 換熱管焊接

確定金屬表面無裂紋缺陷后，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力腐蝕的能力提高[7]。管-板自動焊焊絲直徑較小，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；焊接過程中，嚴格控制層間溫度不超過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)的磁粉檢測和超聲檢測無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)的射線檢測方法，散射較嚴重，檢測效果難以保證。因此，對于換熱器管板角接接頭的無損檢測，多采用著色滲透檢測法[9]。

2.6 換熱管管端缺陷處理

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

如果換熱管缺陷長度過長，按照上述方法仍無法去除缺陷時，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)域不應留有影響焊接質(zhì)量的鐵屑、毛刺及油污等。然后，按照圖3組對管堵與換熱管，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，焊接過程中嚴格控制層間溫度不超過100℃。焊接完成后進行滲透檢測，質(zhì)量應合格。

3 應用效果

該管束在實際維修過程中，累計處理換熱管管頭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，滿足換熱器管板強度要求。管板表面缺陷維修后如圖4所示。

裂紋缺陷修復完成后，將該管束回裝至換熱器殼體進行試壓試漏。試漏過程中發(fā)現(xiàn)8根換熱管泄漏，現(xiàn)場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)壓力試驗及氣密試驗合格。經(jīng)歷半年實際運行證明，取得了良好的修復效果。

圖4 換熱器管板缺陷維修后

4 結(jié)束語

針對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裂的實際案例，通過理論分析、機械加工及焊接檢測等手段制訂了管板開裂缺陷修復方案，并進行具體實踐。經(jīng)歷半年實際運行證明，取得了良好的修復效果。奧氏體不銹鋼對氯離子腐蝕較為敏感，該類材料在使用過程中，應通過工藝調(diào)整、加強注水等開展好工藝防腐蝕工作，盡量避免形成氯離子腐蝕環(huán)境，才能保證設備的平穩(wěn)長周期運行。

[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].機電信息，2013（6）：99-100.

[2]何平.螺紋鎖緊環(huán)換熱器與隔膜密封換熱器的結(jié)構(gòu)分析[J].石油化工設備技術(shù)，2009，30（6）：19-20.

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[4]朱麗娟，張麗，孫杰.換熱器管-管板的焊接接頭泄漏原因及改進措施[J].聚氯乙烯，2001（2）：57.

[5]朱家琛，李德臣.合金鋼熱處理脫氫及其現(xiàn)實意義[J].鑄造技術(shù)，2003，24（2）：83-85.

[6]王鐵舟.主蒸汽管焊接過程中的脫氫處理[J].吉林電力技術(shù)，1996（3）：54-56.

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[8]劉志偉，鄭寶禎，高忠.換熱器管-板的全位置自動氬弧焊[J].石油工程建設，2000，26（5）：28-29.

[9]高春華，張文國.滲透檢測在換熱器管板上的應用和影響因素分析[J].煉油與化工，2010（3）：33-35.

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，主要從事煉油設備技術(shù)管理與維護工作。Email：396953922@qq.com

2017-05-22