蒸汽發生器管頭焊縫撕裂的失效分析和解決辦法

蘭曉升 束潤濤 賀優優

（山東高速海南發展有限公司)（武漢市潤之達石化設備有限公司）

0 前言

油漿蒸汽發生器是石化煉油裝置中重要的換熱設備，由于使用溫度較高，發生泄漏失效的案例很多。調查發現，大多數油漿蒸汽發生器短期失效的泄漏事故都不是由腐蝕原因造成的。某石化企業于2011年新建的80萬t/a重油催化制烯烴裝置中的兩臺油漿蒸汽發生器，使用不到一個月就先后發生泄漏事故，并最終報廢。

經過分析可知，該設備設計存在缺陷。事故的原因就在于折流板間距設計過大，導致換熱管在使用過程中振動失穩。此外，管板與管子的連接用平焊加貼脹的方法進行處理考慮得也比較簡單，使管頭焊縫在拉脫力作用下呈剪切性破壞。

本文分析了蒸汽發生器管頭焊縫發生撕裂事故的原因，提出了有針對性的改進措施，取得了明顯的改進效果。

1 油漿蒸汽發生器的參數及泄漏情況

1.1 油漿蒸汽發生器的結構參數

油漿蒸汽發生器的結構參數如表1所示。該設備壓力不高，但實際使用溫度達到339℃，折流板間距設計為1455 mm。管束入口端設計有300 mm長的316L襯管，管頭露出部分進行翻邊。

表1 油漿蒸汽發生器結構參數

1.2 設備發生泄漏的具體情況

該設備發生泄漏的部位為換熱管與管板的管頭焊縫處，焊縫中心呈環向撕裂，如圖1所示。通過目視觀察，裂紋周圍的焊縫紋路和管板表面的機加工紋路清晰可見，沒有任何腐蝕痕跡。

圖1 換熱管與管板的管頭焊縫

圖1是PT檢驗時的實物照片，管外白色環狀物為316L不銹鋼薄壁襯管的翻邊部分，在管子與管板連接焊縫處可以看到明顯的環狀裂紋。將沒有裂紋的管頭焊縫進行了打磨，在焊縫中部和根部也發現都存在裂紋。也就是說，在使用很短的時間內，管頭焊縫已經全部發生了剪切撕裂性破壞。

1.3 工況分析

該設備管程為300℃以上的高溫油漿，硫含量和環烷酸含量均低于1%，存在高溫硫和高溫環烷酸的腐蝕環境。管外殼程為200℃以上的蒸汽，也存在高溫蒸汽的氧化腐蝕環境。這種環境對碳鋼材料的腐蝕至少應在半年以后才能觀察到潰瘍狀的坑點腐蝕特征，但該設備在使用不到一個月的時間就出現泄漏，這就應該排除腐蝕因素，考慮其他的因素造成的破壞性影響。

2 泄漏原因分析

2.1 從設計角度進行分析

2.1.1 折流板間距校核分析

折流板間距通常由蒸汽發生器選型的工藝人員確定。蒸汽發生器殼程為水加熱產生蒸汽，折流板只起到支撐換熱管的作用，水的流動分布是靠折流板下部缺口來實現的，并不需要折流板來折流介質，折流板對換熱效果的好壞也沒有多大的作用。工藝人員選定的折流板間距為1455 mm，選定間距時并未考慮設備的設計問題，也未考慮換熱管支撐間距過大后介質沸騰會造成換熱管振動的問題。此外，設備設計時也沒有對換熱管的振動進行仔細校核分析。關于換熱管的振動分析，雖然在工藝選型及設備設計時都有相關要求，但在國內行業中基本上是很少考慮的。該設備產生泄漏后，有關設備設計人員對換熱器管束進行了應力校核，發現換熱管軸向應力設計不滿足要求，此值超標是導致管頭焊縫發生撕裂的主要原因。由于折流板間距過大，換熱管在蒸汽快速沸騰時會產生較大的振動，因此會對管頭焊縫造成很大的振動疲勞影響。

2.1.2 油漿入口布置對溫差應力的影響

管程介質為350℃高溫油漿被冷卻至280℃，流向為上進下出；殼程介質為低溫水被加熱至255℃蒸汽，流向為下進上出。這種流向布置，使上部換熱管處在管程高溫350℃和殼程高溫255℃的工況，而下部換熱管處在管程低溫280℃和殼程低溫（水）工況。也就是說，上部換熱管的金屬溫度處在最高溫度的工況，下部換熱管的金屬溫度處在最低溫度的工況。該設備為6管程，由于結構和介質流向形成了一種最大的溫差應力狀態，也就是說給管頭焊的焊縫金屬增加了一個很大的附加拉脫力。這種工藝布置不合理，建議流體流向改為下進上出。

2.1.3 管子與管板的連接結構分析

折流板間距過大時將引起軸向應力超標，殼程介質快速沸騰時將引起換熱管振動，溫差大時將引起大的溫差應力，這些情況組合在一起時形成了一種惡劣的工況組合，從而導致換熱管與管板連接焊縫處的應力很復雜。顯然，圖1所示的焊接接頭不能適應這種復雜工況下的復雜應力。圖1中換熱管與管板的接頭設計為平焊加貼脹型式，該接頭的設計明顯沒有很好地考慮溫差應力帶來的管頭附加拉脫力以及換熱管振動問題。貼脹只是輕度脹接，在較高的使用溫度下，貼脹段的換熱管與管板會發生松弛，并不能起到抵抗拉脫力以及振動的破壞作用，換熱管的振動將直接傳導到焊縫處，完全由焊縫來承擔由于振動及溫差應力產生的交變應力。因此，由于管束長期的低頻振動，換熱管與管板的接頭在拉脫力、交變應力、制造殘余應力等綜合影響下，裂紋就在管頭焊的焊縫部位產生。

2.2 從制造和使用的角度進行分析

該設備是按圖紙要求進行制造的，所有制造過程及質量控制都滿足圖紙設計要求，材質及焊材也都進行了復核，沒有發現任何問題。由于設計、制造和使用單位存在很大爭議，在設計院不同意對設備進行任何技術改進的情況下，重新制造了兩臺同樣圖紙要求的油漿蒸汽發生器。這兩臺油漿蒸汽發生器在同樣工況條件下也仍然只使用了一個月就開始泄漏，這就再次證明該設計存在嚴重問題。

部分石化企業新建的裝置在開工試車前，對操作工的崗前培訓不足，對該設備在正式使用前試車過程中可能遇到的破壞性后果估計不足，試車時升溫過快，導致溫差應力過大。也有的企業在試車時殼程沒有充水，造成了直接干燒。這些情況都有可能導致換熱器出現異常的破壞性后果。

3 改進措施和使用情況

3.1 優化設計方案

3.1.1 折流板間距的布置

將原設計管束的折流板間距由1455 mm改為600 mm，由原來的4塊折流板增加到9塊折流板，以降低換熱管在使用中的振動，并提高換熱管在使用過程中的穩定性，從而減小換熱管的軸向應力。減小折流板間距并不會影響設備換熱效果，但對換熱管可起到支撐作用。

3.1.2 擴大管板管橋的間距

為降低管板焊縫對管橋施加焊接應力的影響，在不影響蒸汽發生器換熱性能的前提下，將管板管橋的間距由7 mm加寬到8 mm，換熱管規格由?25 mm×2.5 mm改為?24 mm×2.5 mm，換熱管數量不變。換熱管直徑改為24 mm后，經過計算換熱總面積僅減少15 m2，并不影響設備的換熱性能。3.1.3 管子與管板的連接方式

管子與管板的連接改平焊為角焊，改貼脹為強度脹加貼脹。原設計管子與管板的連接接頭為強度焊加貼脹，管頭伸出管板面僅2 mm，焊接時管端基本都被熔掉，管頭焊接后焊縫的截面積較小?，F更改為強度焊加強度脹連接，強度焊管頭焊角高度由2 mm更改為4 mm，焊縫高度達到3 mm，管孔的坡口深度2 mm，用全自動管板焊多次焊接完成。將貼脹改為強度脹加貼脹以后，能減小軸向應力對管頭焊縫的直接作用力，確保管頭的焊縫金屬在使用過程中安全可靠，避免管頭焊縫產生過高的剪切應力。管子與管板的連接型式如圖2所示。

圖2 改進后管子與管板的連接

3.2 管頭焊縫的熱處理

為了降低管頭焊縫的焊接應力，在管頭焊最后一遍焊接完成后對管板面進行消除應力熱處理。熱處理溫度為620℃，保溫時間為30 min，熱處理后所有管頭焊縫金屬的硬度值≤200 HB。

3.3 改進后的使用情況

該設備按以上措施改進后使用情況良好，已經連續工作超過一年，中途未出現任何泄漏事故。

4 結論

（1）油漿蒸汽發生器在使用很短時間后就發生泄漏事故，不是由于腐蝕和制造原因所導致，而是設計上存在先天不足。

（2）通過增加折流板的數量、縮小折流板間距來降低換熱管的振動；通過縮小換熱管直徑、增加管孔橋距的措施來降低管端焊縫金屬的焊接應力；通過增加管端伸出長度、改平焊為角焊等措施，增加管頭焊縫的抗拉脫力強度；通過對換熱管與管板的貼脹改為貼脹加強度脹，以阻止換熱管的軸向應力直接作用于焊縫；通過對管頭焊縫的熱處理來消除焊接應力，提高焊縫金屬的抗裂性能。

（3）事實證明，上述綜合改進措施是可靠的、合理的，完全可以滿足油漿蒸汽發生器長周期安全運行的需要。