染色機(jī)熱交換器角焊縫裂紋產(chǎn)生原因分析及修復(fù)

楊柳彬

（廣州特種承壓設(shè)備檢測研究院，廣州 511300）

染色機(jī)熱交換器角焊縫裂紋產(chǎn)生原因分析及修復(fù)

楊柳彬

（廣州特種承壓設(shè)備檢測研究院，廣州 511300）

對一批承壓染整設(shè)備進(jìn)行檢驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)多臺熱交換器排冷卻水管角焊縫熱影響區(qū)出現(xiàn)環(huán)向裂紋。通過對設(shè)備的結(jié)構(gòu)、材料、使用環(huán)境、運(yùn)行狀況及安裝質(zhì)量進(jìn)行分析，探究裂紋產(chǎn)生的原因，發(fā)現(xiàn)設(shè)備因循環(huán)受力而疲勞開裂。并討論了對缺陷的處理方法及后期使用時(shí)的預(yù)防措施。

染色機(jī)熱交換器；裂紋；原因分析；缺陷處理

0 引言

2015年在對廣州某染整公司的高溫高壓染色機(jī)及熱交換器進(jìn)行檢驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)多臺熱交換器的排冷卻水接管角焊縫熱影響區(qū)出現(xiàn)多處環(huán)向裂紋。試探討其產(chǎn)生原因及處理方法。

1 熱交換器基本概況

該批熱交換器制造于2005年，2006年投入使用，按GB151-1999《管殼式換熱器》設(shè)計(jì)制造，設(shè)計(jì)合理、資料齊全，有合格證、監(jiān)檢證、質(zhì)量證明書及竣工圖樣。產(chǎn)品技術(shù)特性如表1所示。

表1 熱交換器主要技術(shù)參數(shù)

熱交換器殼體、封頭、法蘭座、前后管板、膨脹節(jié)使用的材料為SUS316Ti，換熱管使用的材料為TP316L。圖1為其中一臺換熱器。

2 熱交換器裂紋產(chǎn)生部位及原因分析

2.1 熱交換器全面檢驗(yàn)分析

圖1 換熱器

對熱交換器按TSG R7001-2013《壓力容器定期檢驗(yàn)規(guī)則》的要求進(jìn)行全面檢驗(yàn)。在外部宏觀檢驗(yàn)和壁厚測定后，對容器縱、環(huán)焊縫，角焊縫以及應(yīng)力集中部位進(jìn)行了表面滲透檢測。檢驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，該批次有7臺熱交換器在同一個(gè)地方產(chǎn)生裂紋，且開裂嚴(yán)重，即圖2中接管D與筒體角焊縫熱影響區(qū)。這7臺設(shè)備其他宏觀檢驗(yàn)項(xiàng)目未見異常，承壓部件無明顯壁厚減薄現(xiàn)象。表面滲透檢測結(jié)果顯示:筒體縱環(huán)焊縫內(nèi)外表面狀態(tài)良好，未發(fā)現(xiàn)超標(biāo)缺陷。其余熱交換器檢驗(yàn)未發(fā)現(xiàn)缺陷。圖2所示為熱交換器簡圖，各接口皆為法蘭連接。圖2中：A為安全閥接口，DN65；B為水蒸汽入口、冷卻水入口，DN125；C為染液入口，DN150；D為冷凝液出口、冷卻水出口，DN100；E為染液出口，DN200。

2.2 裂紋產(chǎn)生原因分析

1）是否是介質(zhì)中氯離子含量過高導(dǎo)致奧氏體不銹鋼產(chǎn)生晶間腐蝕和應(yīng)力腐蝕開裂？

圖2 換熱器接管示意圖

晶間腐蝕和應(yīng)力腐蝕這是染整設(shè)備產(chǎn)生裂紋最常見的兩個(gè)原因。許多熱交換熱器中，泥土、鈣鹽、生物、腐蝕產(chǎn)物等各種各樣的沉淀物在冷卻水側(cè)凝聚和濃縮，妨礙離子的擴(kuò)散，形成腐蝕的條件[1]。高溫、高壓染色機(jī)的基本特點(diǎn)是：染色工藝各不相同，染液成分復(fù)雜，染液可能要加入亞氯酸鈉、食鹽等，所以處于酸、堿、水、蒸汽高溫、高壓的惡劣環(huán)境中。在高溫、高壓染色機(jī)工作時(shí)可能存在奧氏體不銹鋼+氯離子特定組合，易產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕開裂[2]。同行業(yè)者也對換熱器裂紋的形成機(jī)理進(jìn)行了大量研究和討論[3]。

經(jīng)過光譜分析，復(fù)驗(yàn)的化學(xué)成分基本和原材質(zhì)證明書一致，說明未用錯(cuò)材料。且SUS316Ti是在SUS316基礎(chǔ)上加入Ti，能改善材料的抗晶間腐蝕性能[4]。通過對其他角焊縫及對接焊縫進(jìn)行滲透探傷，未見異常。通過對往年定期檢驗(yàn)報(bào)告的審查，未發(fā)現(xiàn)其之前產(chǎn)生過裂紋。除了這7臺熱交換器，車間內(nèi)其他同類工況下的染色機(jī)及熱交換器也未發(fā)現(xiàn)裂紋。由于工藝的改進(jìn)，目前染整行業(yè)很少用到含氯離子的鹽，通過了解，該企業(yè)在生產(chǎn)過程中也不用含氯離子的鹽，由此分析因氯離子產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕開裂可能性較低。初步排除是由于晶間腐蝕和應(yīng)力腐蝕所產(chǎn)生的。

2）是否是排冷凝水、冷卻水時(shí)由于接管附近頻繁變化的溫差，導(dǎo)致接管在交變應(yīng)力下開裂？

在以往的檢驗(yàn)過程中，曾發(fā)現(xiàn)其他企業(yè)的設(shè)備在B口處（即水蒸汽入口、冷卻水入口）角焊縫出現(xiàn)裂紋。在加壓升溫→降壓降溫的循環(huán)工況、低頻工況下工作，存在交變應(yīng)力，也是此類設(shè)備產(chǎn)生裂紋的一種原因[5]。由于管程介質(zhì)為染液，殼程介質(zhì)為水蒸汽（加熱染液）或冷凝水（冷卻染液），B口處長期承受頻繁的溫差變化，而導(dǎo)致產(chǎn)生裂紋。D口（即冷凝液出口、冷卻水出口）面對的工況與B口是相類似的，是否也是由于溫差的頻繁變化導(dǎo)致此處角焊縫開裂？通過對介質(zhì)流向的分析，我們可以判斷，雖然D口面臨相類似的工況，但溫度的變化明顯不及B口大。也就是說，同一臺設(shè)備B口出現(xiàn)裂紋的概率要比D口高，但該企業(yè)的熱交換器B口都未發(fā)現(xiàn)裂紋，卻發(fā)現(xiàn)多臺設(shè)備D口出現(xiàn)裂紋，因此也可以初步排除由于接管附近頻繁變化的溫差，導(dǎo)致接管在交變應(yīng)力下開裂。

3)該批設(shè)備的結(jié)構(gòu)、材料、使用環(huán)境都不是產(chǎn)生裂紋的主要原因，是否和設(shè)備的運(yùn)行狀況有關(guān)？

高溫高壓染整設(shè)備基本上是在一個(gè)較為惡劣的工況環(huán)境下服役，這種惡劣環(huán)境通常是造成設(shè)備產(chǎn)生缺陷的一個(gè)誘因。通過對現(xiàn)場的勘察分析，發(fā)現(xiàn)這些產(chǎn)生裂紋的熱交換器，存在一個(gè)共同的問題，排冷卻水接管外接管無支撐或支撐早已脫落，在開機(jī)后設(shè)備存在異常震動。相比而言未產(chǎn)生裂紋的熱交換器，外接管支撐良好。多方詢問現(xiàn)場操作人員及安全管理人員后得知，B口冷卻水進(jìn)入設(shè)備時(shí)，不能使熱交換器壓力穩(wěn)定，熱交換器在工作中會震動頻繁。從結(jié)構(gòu)上看，該處角焊縫位置處于結(jié)構(gòu)不連續(xù)區(qū)，存在高應(yīng)力和應(yīng)力集中，該批設(shè)備在這種震動環(huán)境中工作使用多年，導(dǎo)致D口角焊縫因循環(huán)受力而疲勞開裂。

3 缺陷處理

經(jīng)過對缺陷產(chǎn)生原因的分析，并與使用單位溝通，使用單位決定委托具有相應(yīng)資質(zhì)的一制造廠對其進(jìn)行維修。

在與維修單位對缺陷的討論分析后，制定了相應(yīng)的維修方案。決定用相同材料更換該接管，并在接管外焊接一圓環(huán)板，如圖3所示。因維修方案改變接管結(jié)構(gòu)，首先進(jìn)行強(qiáng)度校核，確保滿足要求；其次，將接管法蘭整體切除，打磨、探傷挖補(bǔ)位置，確保該處不存在其他缺陷；然后，采用氬弧焊優(yōu)先對接管與圓環(huán)板進(jìn)行焊接，再將其與筒體焊接；再經(jīng)無損檢測，合格后對所焊焊

縫表面酸洗鈍化處理；最后對其進(jìn)行水壓試驗(yàn)。

針對B口冷卻水進(jìn)入設(shè)備時(shí)熱交換器壓力不穩(wěn)定的情況，使用單位加裝了一條冷卻水管，穩(wěn)定換熱器殼程內(nèi)的壓力變化，減少換熱器的震動。同時(shí)，固定排冷卻水管的外接管。并對其他暫未產(chǎn)生裂紋的熱交換器采取相同的措施，防范接管角焊縫的開裂。

于2016年，對該批設(shè)備進(jìn)行年度檢查，跟蹤設(shè)備的使用狀況。重點(diǎn)檢查7臺設(shè)備出現(xiàn)裂紋的地方，同時(shí)檢查其他熱交換器接管角焊縫是否產(chǎn)生裂紋。檢查結(jié)果，原開裂處未見異常，未發(fā)現(xiàn)新生缺陷，其他設(shè)備運(yùn)行狀況良好。通過與操作人員及安全管理人員的溝通，了解到在使用過程中未出現(xiàn)異常情況，使用單位也加強(qiáng)了對特種設(shè)備的管理和巡查。

圖3 維修后的接管

4 結(jié)語

高溫、高壓染整設(shè)備是我們在檢驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)缺陷較多的一類特種承壓設(shè)備。晶間腐蝕、應(yīng)力腐蝕和疲勞腐蝕是該類設(shè)備產(chǎn)生缺陷的主要原因。選材不當(dāng)易導(dǎo)致晶間腐蝕的形成；應(yīng)力集中可能導(dǎo)致角焊縫應(yīng)力腐蝕和腐蝕疲勞破壞；附加應(yīng)力和使用管理不當(dāng)會加劇缺陷形成及擴(kuò)展。所以在檢驗(yàn)過程中對這類設(shè)備要多加注意，尤其是通過宏觀檢查和表面無損檢測去發(fā)現(xiàn)設(shè)備是否已經(jīng)產(chǎn)生裂紋，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題、消除隱患。

從此次檢驗(yàn)結(jié)果來看，使用單位在對設(shè)備的使用管理及運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)控上存在缺失。該批設(shè)備投入使用將近10 a，在這種相對惡劣的工況下，可能將要到達(dá)缺陷產(chǎn)生的高發(fā)期。因此使用單位更應(yīng)做好日常維護(hù)保養(yǎng)、運(yùn)行、定期安全檢查的工作，對發(fā)現(xiàn)的異常情況及時(shí)處理并且記錄；發(fā)現(xiàn)事故隱患或者其他不安全因素，應(yīng)當(dāng)采取緊急措施，及時(shí)向單位有關(guān)部門報(bào)告，及時(shí)消除隱患。使用單位應(yīng)按TSG R5002-2013《壓力容器使用管理規(guī)則》的要求，做好設(shè)備的安全管理，保證設(shè)備及生產(chǎn)的安全。

壓力容器的檢驗(yàn)是對在用設(shè)備安全狀況所進(jìn)行的符合性驗(yàn)證活動。檢驗(yàn)，只是保障特種設(shè)備安全的其中一個(gè)環(huán)節(jié)，筆者認(rèn)為，使用和管理也是其中一個(gè)很重要的環(huán)節(jié)，這在《特種設(shè)備安全法》里也明確指出。規(guī)范的操作和完善的管理能極大地降低事故發(fā)生的概率，及時(shí)地消除安全隱患，對預(yù)防特種設(shè)備事故意義重大。

[1] 劉建洲.奧氏體不銹鋼的應(yīng)力腐蝕及其防護(hù)[J].腐蝕與防護(hù),2010,31(4):49-53.

[2] 李向前.高溫高壓染色機(jī)裂紋分析[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用,2014(3):44-45.

[3] 黃儉.高溫染色機(jī)換熱器裂紋檢驗(yàn)分析[J].中國機(jī)械,2014(13):26-27.

[4] 阮於珍.316型不銹鋼的晶間腐蝕性能[J].物理測試,2000(6):4-6.

[5] 湯偉,周建良.高溫高壓染色機(jī)泄漏事故的分析與處理[J].中國特種設(shè)備安全,2015(4):62-64.

[6] 壓力容器使用管理規(guī)則:TSGR5002-2013[S].

Cause Analysis and Repair of the Fillet Weld Crack of Dyeing Machine Heat Exchanger

YANG Liubin
（Guangzhou Special Pressure Equipment Inspection and Research Institute,Guangzhou 511300,China）

When testing a batch of dyeing and finishing equipment,it is found that there is a circumferential crack on the fillet weld heat-affected zone of the heat exchanger cooling pipes.This paper analyzes the construction,materials,environment,function conditions and install quality of equipment;the results demonstrate that cyclic stress causes the cracks.The treatment and precaution measures of cracks are also discussed.

dyeing machine heat exchanger;crack;cause analysis;treatment

TH 49;TG 441.7

B

1002－2333（2018）01－0162－03

（編輯浩 然）

楊柳彬（1990—），男，助理工程師，從事特種承壓設(shè)備檢驗(yàn)檢測工作。

2017-07-30