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有限公司，上海 200137）

中石化高橋分公司#2催化裝置一臺給水預熱器管束在投入運行不久，管板側滲漏嚴重造成緊急停運。經解體檢查，管板出現裂紋為本次事件的主因。針對這一缺陷，本文從制造質量、原材料生產逐一剖析，深入闡述管板開裂原因，并提出相應的防范措施及該事件最終的解決方案。

裂紋；防范措施；修復方案

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。管板作為換熱器的主要受壓原件，無論是原材料鍛造，加工制造都對其有至關重要的影響。

1 裂紋及狀態分析

#2催化一給水預熱器在管束更新、投入運行近5個月后，管板密封面出現嚴重滲漏，迫使設備緊急停運。因情況不明，對換熱器進行解體檢查，抽出換熱管束后，在換熱器管板密封面外緣發現一道徑向裂紋，長度約30mm，貫穿至最外緣，深度約5mm，同時集中交叉多道較淺的橫向裂紋，呈擴張態。

由于管板裂紋的貫穿性導致介質外漏，影響到設備運行。一臺投用不久的換熱器，管板為何在如此短的時間內出現多道裂紋，原因值得深究。

1.1 制造狀態

采購的鍛件呈鍛坯狀態入庫，再由制造單位金加工，其表面層進行車削、內部鉆孔，這樣一來，表面層的硬度會有所改變，若硬度超標或不到標準數值，都會導致后期管板因工作狀態的改變而出現裂紋；此外，碳當量是決定強度和可焊性的主要因素，也直接關系到裂紋敏感性指標。一般制造單位在核對原材料各項化學成分后，不會進一步復驗（除有要求或者有疑點）。事實上兩項指標在制造過程中沒有檢測，也給管板表層出現裂紋埋下隱患。

1.2 原材料生產狀態

管板原材料為連鑄圓坯，經鍛件廠鍛造成型，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，坯料內外溫差較大產生熱應力，這一應力數值超過其本身強度極限，就會產生裂紋；此外若鍛造工藝不當，在坯料加熱時產生氧化皮，鍛造過程中被鍛進鍛件里，形成不規則片狀或點狀，潛伏于鍛件表層或表層不深處，為后續使用狀態（溫度、交變應力）變化導致出現裂紋留下隱患；再者鍛造過程中當溫度達到材料終鍛溫度以下，還強行鍛造，導致內應力劇增，硬化偏大、倒棱時壓下量過大等都會致使內部出現裂紋；此外后續鍛件熱處理時，若鍛件受熱不均、冷卻方式不當都會產生裂紋。

該16MnⅡ鍛件沒有在熱處理前后進行超聲檢測（Ⅲ鍛件須進行），所以對于鍛件內部的裂紋無法及時發現，這也是本次鍛件出現裂紋最大的疑點。

2 防止管板裂紋的有效措施

管板出現裂紋的可能性較多，是一種或多種因素的疊加。管板出現裂紋后滲漏導致設備無法運行造成的損失及危害也是相當嚴重的。所以，在分析原因的同時，更應采取有效措施，避免類似情況再次發生。

2.1 制造措施

對于采購狀態為鍛坯，入庫后需要進一步金加工的材料，在管板車削加工后應對其表面進行硬度檢測，且硬度必須≤HB180。必要時還要做碳當量的復驗，確保碳當量在允許范圍內，從而徹底排除因制造過程導致管板出現裂紋的可能因素。

2.2 原材料生產措施

本次管板裂紋事件最大的可能因素就是原鍛坯生產問題，針對該過程分析：按照鍛件鍛造工藝流程，首先對鑄坯熔煉成分、碳當量做確認，再對其低倍組織進行檢測，合格后進入下一道工序。加熱時要確保鍛坯內外受熱均勻，避免產生較大熱應力，同時鍛造溫度應控制在鍛件終鍛溫度以下的安全數值，不可超溫鍛造。選擇正確的鍛造工藝也是關鍵，為防止鍛造過程中將氧化皮等雜物鍛進鍛件內部或表層，首先要控制預鐓粗變形量，再者要保證壓實所需變形工藝參數，鍛坯的重量與壓機噸位要匹配，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，該過程是為修復前步鍛造工藝中可能產生的、探傷可見的夾雜性裂紋，同時利用鍛件高溫停鍛效應，確保鍛件內部晶粒尺寸均勻，防止產生混晶現象。后續鍛件熱處理過程參數控制也相當關鍵。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℃，保溫時間3h，要求均熱，采用空氣冷卻，出爐溫度為920℃±10℃。此外，保險起見，對重要鍛件在熱處理后應進行超聲檢測，確保鍛件內部無裂紋。

3 管板裂紋修復方案

因設備無法長時間停運，當即對該換熱設備管板出現的裂紋進行現場修復，返修方案具體如下：

3.1 碳弧氣刨清除裂紋區域

用石棉布對換熱管進行遮蔽保護，碳弧氣刨刨出弧坑、清除裂紋。用旋轉銼打磨，使弧坑內部露出金屬光澤。采用著色探傷，確認管板上的裂紋已經徹底清除。

3.2 補焊及焊后打磨

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

用磨光機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

對堆焊區域進行超聲波探傷，滿足超聲檢測Ⅰ級合格后管板方可再次投入使用。

4 結語

該臺催化預熱器管板裂紋修復完畢，設備重新投入使用，本次故障缺陷徹底消除。管板裂紋迫使設備緊急停運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備加工制造，乃至設備投用后的運行操作都應嚴格按照工序要求進行，切不可有半點偏差。

[1]NB∕T47008-2010，承壓設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 化工工業出版社.

[4]NB∕T47015-2011，壓力容器焊接規程.