一起石化區(qū)內(nèi)大型換熱器接管泄漏原因分析

孫 杰 潘志浩 李緒豐 胡華勝

(廣東省特種設(shè)備檢測研究院 佛山 528251)

某石化廠內(nèi)的1 臺蒸汽急冷油再沸器殼程筒體接管部位發(fā)生泄漏，設(shè)備詳細(xì)技術(shù)參數(shù)見表1，進(jìn)行停車全面檢驗維修。通過對設(shè)備的資料進(jìn)行詳細(xì)審查，得知該臺稀釋蒸汽急冷油再沸器于2015 年底按照GB 151—1999《管殼式換熱器》[1]進(jìn)行設(shè)計，于2016 年制造出廠，該系列同一批次設(shè)備共有4 臺，同時于2018 年在某石化廠區(qū)正式投用。最近一次首次全面檢驗于2021 年12 月進(jìn)行，檢驗結(jié)論為符合要求，綜合評級定為3 級，下次檢驗時間為2024 年12 月。

1 換熱器接管泄漏原因分析

圖1 為殼程筒體與接管角焊縫出現(xiàn)泄漏部位，泄漏發(fā)生在接管角焊縫熔合線處，此處的接管規(guī)格為φ273 mm×13 mm，通過磁粉檢測發(fā)現(xiàn)，該處存在幾乎整圈的未熔合缺陷，此外該設(shè)備的殼程筒體4 處φ250 mm 以上的接管角焊縫部位全部存在嚴(yán)重的未熔合及裂紋缺陷，全部為不帶補強圈接管，見圖2。通過近距離放大觀察泄漏部位的未熔合形貌，部分未熔合處已經(jīng)出現(xiàn)了明顯的開口裂紋缺陷。

圖1 殼程筒體接管角焊縫泄漏部位

圖2 殼程筒體接管角焊縫缺陷情況示意

通過查閱蒸汽急冷油再沸器的設(shè)備竣工圖發(fā)現(xiàn)，設(shè)計單位雖然給出了設(shè)備的整體裝配圖示，但是接管與筒體之間的焊接詳圖并未給出明示，因此讀取竣工圖中的信息無法獲悉接管與筒體之間的坡口形式。由于本臺設(shè)備為第三類壓力容器，根據(jù)TSG 21—2016《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》（以下簡稱固容規(guī)）[2]中的3.2.2.2 項要求，該設(shè)備筒體與接管之間的角焊縫應(yīng)當(dāng)采用全焊透形式。同時，GB/T 150—2011《壓力容器》[3]作為我國壓力容器設(shè)計制造領(lǐng)域內(nèi)權(quán)威的推薦性技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，該設(shè)備筒體與接管之間角焊縫設(shè)計制造要求還應(yīng)符合GB/T 150.3—2011《壓力容器 第3部分：設(shè)計》中D.3.1.1 之圖D.4 的要求。現(xiàn)場針對該臺蒸汽急冷油再沸器的殼程筒體測厚數(shù)據(jù)顯示，壁厚為24.0 mm，根據(jù)一般的工程經(jīng)驗，為保障φ250 mm以上等規(guī)格較大的接管角焊縫部位能夠全部焊透，接管與筒體之間應(yīng)采取開一定角度坡口形式進(jìn)行焊接。

通過對接管角焊縫存在的未熔合缺陷進(jìn)行打磨消除發(fā)現(xiàn)，泄漏部位已經(jīng)打磨穿透，頂部一處φ414 mm接管也已磨穿，另外2 處打磨最大深度均已大于12 mm，超過筒體名義壁厚的1/2，見圖3。因此，可以初步判定接管角焊縫存在的嚴(yán)重未熔合缺陷是此次造成設(shè)備出現(xiàn)蒸汽穿透泄漏的直接原因。理論上而言，對于Q345R 及16Mn 此種可焊性良好的材質(zhì)，若采用正確的開坡口形式及焊接工藝進(jìn)行施焊，正常情況下施工幾乎不會產(chǎn)生如此嚴(yán)重的未熔合缺陷，但從現(xiàn)場的打磨情況回饋顯示，本臺設(shè)備的殼程筒體與接管之間應(yīng)為未開坡口直接施焊。

圖3 接管角焊縫缺陷打磨情況示意

2 同一批次設(shè)備擴(kuò)檢

前文提及該廠區(qū)擁有同批次同類型設(shè)備共計4臺，2022 年上半年因工藝停車，恰巧置有檢驗時間窗口，因此對同一批次另外2 臺蒸汽急冷油再沸器進(jìn)行首次全面檢驗，經(jīng)磁粉檢測，同樣發(fā)現(xiàn)另外2 臺設(shè)備殼程筒體4 處φ250 mm 以上接管角焊縫內(nèi)表面均存在大量嚴(yán)重未熔合及部分裂紋缺陷，見圖4。由此可見，該同一批次同一廠家出廠制造的設(shè)備應(yīng)存在接管角焊縫共性的制造質(zhì)量問題。對存在嚴(yán)重未熔合及裂紋的接管角焊縫部位進(jìn)行打磨消除缺陷，同樣發(fā)現(xiàn)大部分存在缺陷的接管角焊縫部位已經(jīng)打磨超過筒體名義壁厚的1/2。

圖4 接管角焊縫缺陷情況示意

圖4 接管角焊縫缺陷情況示意（續(xù)）

3 接管角焊縫穿透泄漏教訓(xùn)

接管因腐蝕及焊接缺陷穿透泄漏失效是大型石油化工裝置鍋爐、壓力容器、壓力管道突出的風(fēng)險隱患[4]。接管一旦發(fā)生泄漏極易造成爆燃傷人事故，嚴(yán)重情況下將會直接致使裝置停車，造成生產(chǎn)企業(yè)經(jīng)濟(jì)受到重大損失。因此承壓類特種設(shè)備的接管制造質(zhì)量問題值得設(shè)計、制造、監(jiān)造、檢驗、業(yè)主、監(jiān)察多方部門的高度關(guān)注。

承壓特種設(shè)備接管部位一般具有三大特點：1）局部高峰值應(yīng)變；2）高應(yīng)變梯度；3）周邊受廣大彈性區(qū)域包圍。如果承壓類特種設(shè)備的接管角焊縫在制造階段就已遺留大量嚴(yán)重焊接缺陷（如：裂紋、未熔合、未焊透等），待設(shè)備投用后，由于接管部位焊接接頭的有效面積減少，致使焊接接頭強度下降，應(yīng)力集中區(qū)域隨著時間推移很可能發(fā)展成新的裂紋源。對于某些應(yīng)用高強度、再熱裂紋敏感性高的材料且拘束度大，內(nèi)含易燃易爆介質(zhì)的設(shè)備而言，其接管角焊縫部位更容易成為危險源。

1）設(shè)計乃設(shè)備的誕生之源，因此設(shè)備在制造出廠之前，設(shè)計單位應(yīng)在竣工示意圖中明確規(guī)范地給出接管角焊縫焊接詳細(xì)示意，避免進(jìn)入制造階段引起不必要的誤解；另外，本次案例中已明確指出設(shè)備于2015年年底進(jìn)行設(shè)計，并于2016 年進(jìn)行制造出廠，2015年5 月GB/T 151—2014《熱交換器》[5]已發(fā)布并已實施，但設(shè)計卻仍采用舊標(biāo)準(zhǔn)GB 151—1999，說明對于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的及時更新能力不足。設(shè)備設(shè)計圖紙的質(zhì)量往往決定了設(shè)備后續(xù)的制造質(zhì)量，因此，業(yè)主方應(yīng)嚴(yán)格把關(guān)設(shè)備設(shè)計源頭。

2）制造階段務(wù)必高度重視接管部位的規(guī)范施工，保障接管角焊縫部位的有效焊透。針對承壓類特種設(shè)備接管部位，施工單位要自覺嚴(yán)格遵守NB/T 47014—2011《承壓設(shè)備焊接工藝評定》[6]等相關(guān)規(guī)范，先做好合格的焊接工藝評定，確保無誤后方可施焊。

3）注重加快引入第三方設(shè)備監(jiān)造，眾所周知，當(dāng)前國內(nèi)各地的市場監(jiān)督管理局系統(tǒng)內(nèi)特種設(shè)備檢驗機(jī)構(gòu)水平普遍存在較大差異，尤其像地級市特種設(shè)備法定檢驗機(jī)構(gòu)因人員編制限制，其所屬技術(shù)人員往往常年緊缺，因此對于成批量特種設(shè)備制造階段的監(jiān)督檢驗，也就不太容易做到對各環(huán)節(jié)仔細(xì)關(guān)注。近年來，設(shè)備監(jiān)理在電力系統(tǒng)正蓬勃興起，第三方設(shè)備監(jiān)造機(jī)構(gòu)的引進(jìn)大大規(guī)范了采購、設(shè)計、制造等相關(guān)實施程序，有效保障了業(yè)主設(shè)備工程質(zhì)量，因此可以考慮在政府引導(dǎo)的背景下鼓勵業(yè)主在石油化工領(lǐng)域大型承壓特種設(shè)備的制造驗收階段積極引入第三方設(shè)備監(jiān)造，起到“自檢＋監(jiān)檢”的雙軌制補充，更加全面地保障設(shè)備制造質(zhì)量安全。

4）業(yè)主及檢驗機(jī)構(gòu)在首次或日常定期全面檢驗中，要加強重視對于接管角焊縫部位的檢驗檢測。接管角焊縫是諸多化工廠區(qū)泄漏事故的源頭，曾經(jīng)一度被列入各地的專項監(jiān)督抽查重點任務(wù)，業(yè)主作為特種設(shè)備使用單位，承擔(dān)著安全生產(chǎn)主體責(zé)任，更應(yīng)在日常加強針對承壓特種設(shè)備接管角焊縫部位的巡檢，發(fā)現(xiàn)問題應(yīng)及時安排整改到位，同時在法定檢驗過程中積極配合檢驗機(jī)構(gòu)共同完成檢驗，并做好消缺工作。對于確實因客觀因素?zé)o法安排及時消除缺陷的接管角焊縫部位，業(yè)主還應(yīng)及時委托具有資質(zhì)的檢驗機(jī)構(gòu)依據(jù)GB/T 19624—2019《在用含缺陷壓力容器安全評定》[7]等相關(guān)規(guī)定進(jìn)行合于使用評價，得出允許使用結(jié)論后，方可繼續(xù)投用。

5）檢驗與監(jiān)察機(jī)構(gòu)應(yīng)及時聯(lián)動溝通，市場監(jiān)督管理局系統(tǒng)內(nèi)特種設(shè)備檢驗機(jī)構(gòu)具有公益屬性，作為政府的法定第三方檢驗機(jī)構(gòu)，特種設(shè)備檢驗機(jī)構(gòu)有義務(wù)及時地將發(fā)現(xiàn)的較為嚴(yán)重的共性質(zhì)量問題及時反饋給當(dāng)?shù)靥胤N設(shè)備安全監(jiān)管部門，監(jiān)察機(jī)構(gòu)應(yīng)以堅決筑牢特種設(shè)備安全防線為首要原則，與檢驗機(jī)構(gòu)同心協(xié)力共同合理地推動相關(guān)企業(yè)對存在的缺陷問題進(jìn)行整改。

4 結(jié)束語

本案例中蒸汽急冷油再沸器殼程筒體接管角焊縫部位出現(xiàn)泄漏失效是由于設(shè)計之初未明確給出接管部位焊接示意，制造階段未按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求開坡口而直接施焊導(dǎo)致產(chǎn)生大量嚴(yán)重未熔合缺陷，致使投用后可能進(jìn)一步產(chǎn)生裂紋，導(dǎo)致接管處出現(xiàn)泄漏。對此，應(yīng)引起設(shè)計、制造、檢驗、業(yè)主、監(jiān)察等相關(guān)各方的高度重視。

1）設(shè)計方務(wù)必提高自身單位人員從業(yè)專業(yè)綜合素質(zhì)，加強對標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范熟悉掌握，建議業(yè)主單位購置大型高參數(shù)設(shè)備時引入第三方設(shè)備監(jiān)造機(jī)構(gòu)，從設(shè)計源頭對設(shè)備成型質(zhì)量進(jìn)行把關(guān)；

2）業(yè)主作為使用單位，對所屬承壓類特種設(shè)備質(zhì)量安全負(fù)有主體責(zé)任，應(yīng)在日常巡檢過程中重點關(guān)注接管角焊縫部位；

3）檢驗機(jī)構(gòu)在針對壓力容器的接管角焊縫質(zhì)量檢測方面應(yīng)予以高度重視，在檢驗方案中應(yīng)予以重點凸出，本次檢驗案例僅采用了磁粉檢測，對于同類設(shè)備的檢驗后續(xù)建議相關(guān)檢驗機(jī)構(gòu)可考慮采用磁粉＋常規(guī)超聲[8]或相控陣超聲[9]結(jié)合的形式進(jìn)一步科學(xué)合理地做好接管角焊縫部位埋藏缺陷檢測；同時，檢驗機(jī)構(gòu)對于發(fā)現(xiàn)的較為嚴(yán)重的共性制造質(zhì)量問題應(yīng)積極與當(dāng)?shù)靥胤N設(shè)備監(jiān)察機(jī)構(gòu)開展互動溝通，充分發(fā)揮“檢驗＋監(jiān)察”的雙軌制優(yōu)勢，與特種設(shè)備監(jiān)管機(jī)構(gòu)合力構(gòu)筑安全防線。