螺紋鎖緊環式換熱器合攏縫開裂原因分析

聞慶松，陳賢洮，焦慶雨，何家龍，程 楷，鄧燕燕

（1.合肥通用機械研究院有限公司 國家壓力容器與管道安全工程技術研究中心安徽省壓力容器與管道安全技術省級實驗室，安徽合肥 230031；2.國機特種設備檢驗有限公司，安徽合肥 230031；3.中國石油大慶石化分公司，黑龍江大慶 163000）

0 引言

螺紋鎖緊環式換熱器是一種主要工作于高溫、高壓下特殊的U 形管型熱交換設備。它不僅能在高溫、高壓環境下穩定運行，投用期間密封性可靠、不容易發生泄漏，而且設備結構緊湊、整體占地面積小、易于在線維護和保養、換熱性能好。因此近些年來廣泛投用于大型煉油企業加氫裂化和加氫精制裝置。近年來，多家石化企業發生多起螺紋鎖緊環式換熱器合攏縫開裂失效事故，如泉州某石化公司、天津某石化公司及北京某石化公司螺紋鎖緊環式換熱器合攏縫發生開裂泄漏，茂名某石化公司螺紋鎖緊環式換熱器在使用一個周期（3 年）后，定期檢驗時在合攏縫上發現一處表面裂紋，并經超聲檢測[1]確定裂紋長度20 mm，深度4 mm。上述螺紋鎖緊環式換熱器開裂具有以下4 個共同特點：①裂紋未擴展進入母材；②開裂部位均發生在管箱與殼體的環焊縫（合攏縫）上，其主要特征為橫向裂紋；③裂紋附近的焊縫金屬硬度值偏高；④使用材料均為Cr-Mo 鋼。

1 設計參數及其特點

螺紋鎖緊環式換熱器應用范圍較為廣泛，其管、殼程設計壓力集中在9.0～20.0 MPa、2.5～20.0 MPa。管、殼程的設計溫度均在220～435 ℃。管、殼程的工作介質一般含有H2、帶有H2S 的油氣等。設備公稱直徑通常在600～1800 mm 范圍內，設備主體材料采用2.25Cr-1Mo、1.25Cr-0.5Mo-Si、15CrMo 和16Mn，換熱器管束部件主體材料通常為0Cr18Ni10Ti 或15CrMo。螺紋鎖緊環式換熱器結構如圖1 所示。

圖1 螺紋鎖緊環式換熱器結構

1.1 筒體成形

螺紋鎖緊環式換熱器筒體主要由管程筒體和殼程筒體兩部分構成。通常情況下，管程的筒體選用鍛件進行制作，殼程筒體主要選用40～120 mm 厚度范圍的板材制作而成。制作時先將殼程的各個筒節在大型切割機上進行切割下料處理，制備出大量適宜的縱縫坡口，然后將其在卷板機設備上卷制成形，再將卷制成型的各個筒節的縱焊縫進行焊后消除應力熱處理，機械加工筒節的內表面及其環焊縫坡口，最后將尺寸檢驗合格的各筒節組焊在一起，完成殼程筒體的制作。

1.2 焊接

螺紋鎖緊環式換熱器的主體材料大多數由Cr-Mo鋼構成，而此類材料的特點是對焊接冷裂紋較為敏感。由于受到焊縫中溶解的含氫介質以及焊接殘余應力不能充分釋放等因素的影響，在Cr-Mo 鋼材料的焊接過程中極易產生焊接裂紋和焊后的延遲裂紋。因此，對此類材料焊接過程中需采取焊前預熱、控制層間溫度、焊后及時消氫處理和焊后消除殘余應力等保護措施。同時其所有焊縫在進行消除應力熱處理前，還要保證各個焊縫坡口以及其兩側（通常約為1 倍的壁厚，并且不小于100 mm）范圍內的母材溫度應始終處于不低于預熱溫度且不高于層間溫度區間內，直至整個焊接過程完成。如果焊接過程中出現中斷，還應該保持焊縫坡口以及其兩側（通常約為1 倍的壁厚，并且不小于100 mm）范圍內的母材溫度始終處于預熱溫度狀態之上，直到能重新焊接為止。否則應該在中斷工作后及時進行消氫處理[2]。

1.3 熱處理

根據螺紋鎖緊環式換熱器的工藝特點，其管箱內部的部分螺紋需要在最終熱處理之后進行制造和加工，因此需要先將換熱器的管箱與殼體分別單獨進行熱處理。管箱與殼體在焊后消除應力熱處理過程中，采取緩慢上升溫度等措施，首先在管箱及殼體內外壁上采用多部位、分布式熱點偶進行溫度控制和測量，最后將其在全微機程控油爐中進行整體熱處理。對管箱與殼體的環焊縫（合攏縫）采用局部最終熱處理。

2 典型開裂案例分析

2016 年9 月，中石化某公司煉油一部加氫裂化裝置一臺螺紋鎖緊環式換熱器發生物料泄漏，泄漏位置位于管箱與殼體的環焊縫（即合攏縫）上（圖2）。該設備2014 年6 月投入使用至發生泄漏時累計運行時間約為2 年3 個月。設備主要性能參數如表1 所示。

表1 螺紋鎖緊環換熱器主要性能參數

圖2 開裂部位

2.1 裂紋宏觀形貌

對泄漏位置進行宏觀檢驗和表面磁粉檢測，發現開裂部位裂紋長度約40 mm，為貫穿性橫向裂紋，裂紋位于管箱與殼體的環焊縫（合攏縫）上，開裂部位裂紋形貌如圖3 所示。

圖3 開裂部位裂紋形貌

2.2 金相分析

在環焊縫的裂紋附近進行現場金相分析，在光學顯微鏡下觀察其微觀組織形貌。裂紋的微觀形貌如圖4 所示。裂紋的走向主要以穿晶為主，多分枝，偶見有沿晶特征且末端無分叉，存在馬氏體淬硬組織。從裂紋宏觀和微觀形貌特征判斷，與延遲冷裂紋特性相符。

圖4 裂紋尖端金相照片（400×）

2.3 硬度檢測

對該換熱器合攏縫進行硬度檢測，檢測位置和結果見表2。從表中的數據分析發現：環焊縫上共檢測了5 處位置，其中有4 處位置硬度值偏高且均超出了GB 50683—2011 設計文件規定，尤其是裂紋附近處焊縫的最大硬度值達到330 HB；而焊縫兩側母材的硬度值總體偏低，符合焊縫及母材硬度值小于225 HB 的設計文件規定[3]。

表2 硬度檢測結果HB

2.4 分析結論

螺紋鎖緊環換熱器合攏縫開裂的主要是焊縫兩側的結構不連續性，導致焊接難度變大，合攏縫不能進行整體熱處理，而只能采取電加熱方式的局部熱處理，效果不佳，焊縫中的擴散氫未充分溢出，引發氫致開裂。同時材料內部的殘余應力也難以充分的釋放出來，容易造成焊縫硬度過高。

3 討論

3.1 制造方面

Cr-Mo 鋼具有使用強度高、鋼種的淬硬傾向大、焊接過程中易產生延遲裂紋等特性，從而造成Cr-Mo 鋼整體焊接性能較差，焊接接頭成為壓力容器焊接結構中最為薄弱、最容易出現事故的環節。所以熱處理就成為均勻焊縫內部組織、改善材料韌性的最為重要的一種方式。

為了解決Cr-Mo 鋼焊接性能差、易產生焊接冷裂紋等問題。主要采取的方式有：焊前仔細檢查焊接坡口質量、焊前預熱、控制焊接能量和層間溫度、選用合理的焊材進行施焊、焊后及時熱處理、焊接過程中嚴格按照焊接評定工藝進行施焊等關鍵環節來獲得優質的焊接組織以及性能。從此次開裂案例中發現，設備的制造環節把關不嚴，容易使得焊接的接頭質量不符合要求。作為使用單位應在設備制造過程中加強監督，避免材料的原始制造缺陷，在制造完成后應按照相關技術指標進行合理質量驗收等方式，這些舉措都將成為保障壓力容器長周期運行的關鍵一環。

3.2 設計方面

由于螺紋鎖緊環式換熱器合攏縫兩側結構不連續性，合攏縫截面如圖5 所示，易產生應力集中，從而導致焊縫開裂傾向升高。因此從換熱器設計方面考慮，應適當延長換熱器合攏縫管箱鍛件側的過渡段，以緩解其兩側結構不連續帶來的應力集中問題。

圖5 合攏縫截面

3.3 檢驗檢測方面

在定期檢驗過程中，需根據螺紋鎖緊環式換熱器的實際情況嚴格制定檢驗方案，針對Cr-Mo鋼設備適當增加焊縫的硬度檢測。理化檢驗時應重點關注每臺設備的合攏縫，對該焊縫多個方位進行硬度檢測時，若發現硬度異常情況處應增加金相分析。

在無損檢測方面，對螺紋鎖緊環式換熱器合攏縫進行100%內表面磁粉檢測及焊縫內部超聲波檢測時，需要注意以下情況：①由于Cr-Mo 鋼的焊接特性，其產生裂紋的方向大多數為橫向，因此在采用單磁軛法對合攏縫進行100%磁粉檢測過程中，應注意兩磁軛與裂紋產生方向之間的夾角。當磁力線與環焊縫圓周方向平行時，應反復幾次并仔細觀察，避免橫向缺陷的漏檢；②合攏縫進行100%超聲檢測時，因根據壁厚的不同，至少采用一種直探頭和兩種以上K 值的斜探頭從不同方向對外壁進行掃查，并增加K1 斜探頭平行于環焊縫圓周方向進行橫向缺陷的掃查。

4 結束語

根據對多起螺紋鎖緊環式換熱器合攏縫開裂的分析結果表明，制造質量不佳（包括結構不連續、局部熱處理效果不佳、原始制造缺陷未檢出等）是導致開裂發生的直接原因，因此，加強制造質量控制是預防螺紋鎖緊環式換熱器合攏縫開裂的有效措施；在換熱器定期檢驗方案編制過程中，應重點關注Cr-Mo 設備的合攏縫，對其進行100%無損檢測及理化分析，并提高檢測精度。