設(shè)備制造質(zhì)量的優(yōu)劣及設(shè)備制造工藝是否優(yōu)化，都涉及到設(shè)備的使用壽命問題。本文就石化核電等靜設(shè)備中空冷器、換熱器和壓力容器在制造和使用中突出的非正常腐蝕失效的案例進(jìn)行了簡要概述。

 

 

    文| 束潤濤　武漢市潤之達(dá)石化設(shè)備有限公司

 

 

        據(jù)中國青年網(wǎng)財經(jīng)報道，某企業(yè)PX 項目爆炸起火，起因源于管理不善等諸多人禍因素。目前，部分石化企業(yè)為節(jié)約成本，采取最低價格中標(biāo)的方式給石化裝置的正常運行帶來了很大的安全隱患。由偷工減料所涉及到的質(zhì)量問題五花八門， 如新疆某石化企業(yè)采購的DN2000 不銹鋼固定管板式換熱器，使用周期僅3 個多月，經(jīng)拆卸后發(fā)現(xiàn)管束殼程的8 塊不銹鋼支撐板全部沒裝；四川某企業(yè)采購的08Cr2AlMo 石油液化氣空冷器使用僅2 個多月就發(fā)生嚴(yán)重泄漏，給安全生產(chǎn)帶來巨大隱患。石化、核電等行業(yè)對于設(shè)備使用前的檢驗驗收都有嚴(yán)格的規(guī)范和要求，但由于部分石化企業(yè)管理不善，或簡單強(qiáng)調(diào)節(jié)約采購成本，而忽略了對產(chǎn)品質(zhì)量的嚴(yán)格要求，特別是一些財團(tuán)或地方企業(yè)跨界投資的新上化工項目，這種情況尤為突出。同時，我國石化裝備制造業(yè)近幾年發(fā)展迅猛，許多石化設(shè)備企業(yè)或故意以劣充優(yōu)， 或技術(shù)水平低下，造成了很多設(shè)備非正常失效的案例，給石化企業(yè)的正常生產(chǎn)帶來極大困擾和巨大的安全隱患。以下是幾起與制造質(zhì)量和制造工藝相關(guān)的非正常腐蝕失效的典型案例，以及一些與制造和材料相關(guān)的其它問題整理出來與大家一起學(xué)習(xí)和探討。

 

 

     空冷器管束非正常腐蝕失效的典型案例

 

 

        空冷器粗制濫造的典型案例

 

 

        本案例為表面蒸發(fā)式空冷器上段的翅片管管束，管內(nèi)為液化石油氣，介質(zhì)中含硫化氫和氫氣，在氣體冷卻過程中經(jīng)過露點溫度，設(shè)備處于濕硫化氫腐蝕環(huán)境，選用的翅片管基材為耐硫化氫腐蝕的08Cr2AlMo，管箱為Q245R，接管、法蘭為20#。該設(shè)備使用僅2 個月就陸續(xù)發(fā)現(xiàn)6 支翅片管的端部泄漏，由于介質(zhì)易燃易爆，被迫停止使用（見圖1）， 并重新采購。
 

圖1　空冷器管箱內(nèi)部偷工減料焊接結(jié)構(gòu)圖例
 

    圖1 為空冷器管箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)，圖示標(biāo)注1 為插管與管箱側(cè)板的內(nèi)部焊接接口， 未焊接；標(biāo)注2 為翅片管管頭與管板焊接接口，未焊接；標(biāo)注3 為管箱底板與管板連接處，未見封底焊縫；標(biāo)注4 為底板與絲堵板連接處，未見封底焊縫。

 

 

       該空冷器管箱焊縫外表比較美觀，但管箱內(nèi)部所有焊縫都未按要求封底，目的是節(jié)省工時、節(jié)省焊接材料，并降低焊接能耗。

 

       在該產(chǎn)品制造企業(yè)提供的竣工資料中， 未見任何焊接工藝和熱處理資料，其加工制造成本不及合格產(chǎn)品的一半，屬于典型的粗制濫造產(chǎn)品。

 

 

        不合理的制造工藝給高壓空冷器帶來非正常腐蝕失效的案例

 

 

       中石化某石化分公司加氫裝置4 臺高壓碳鋼空冷器使用僅幾天就有3 臺泄漏， 由于使用部位存在易燃易爆的安全隱患， 該部位的4 臺高壓空冷器被迫廢棄后重新采購，其停工損失高達(dá)2000 多萬元。

 

 

    經(jīng)追蹤分析，制造廠在高壓空冷器組裝工藝的前后順序方面存在有很大偏差。目前國內(nèi)外許多高壓空冷器的圖紙要求大多都是先做管箱，后進(jìn)行管頭焊的焊接， 其目的是保證高壓空冷器管箱的絕對安全。先焊管箱后焊管頭焊的工藝順序忽略了采用管箱深孔焊焊接的管頭焊縫拉脫力很差的事實，而且不能對管頭焊進(jìn)行PT 檢查和煤油滲漏檢查，只能在水壓試驗或氣壓試驗時尋找泄漏點。發(fā)現(xiàn)缺陷后也不能進(jìn)行挖補(bǔ)（挖除缺陷再補(bǔ)焊），解決方法也只能在有缺陷的部位進(jìn)行重新堆焊。在缺陷沒有被徹底挖除的情況下，在焊縫表面加蓋焊縫是存在巨大安全隱患的。

 

 

       相同的案例在國內(nèi)已發(fā)生多起，國家某行業(yè)管理機(jī)構(gòu)明確要求制造企業(yè)在空冷器的制造上按先管箱后管頭的工藝順序進(jìn)行制造，目前大多數(shù)空冷器制造企業(yè)都遵守這一規(guī)定予以執(zhí)行，這是導(dǎo)致問題頻發(fā)的原因之一。須知國內(nèi)企業(yè)在深孔焊方面的焊接技術(shù)和檢驗方法都沒有成熟可靠的技術(shù)，制造及檢驗過程也沒有嚴(yán)格的控制措施。管頭焊接質(zhì)量的絕對可靠是保證石化企業(yè)獲得生產(chǎn)穩(wěn)定的保障，管箱的焊接質(zhì)量是保證石化企業(yè)設(shè)備安全運行的前提， 二者不可孰輕孰重。其實，先焊接管板管頭， 后焊接管箱的制造方案早已獲得非常穩(wěn)定的運行效果，對于管箱的焊接檢驗和焊后熱處理目前都有可靠的手段來予以保證， 管箱的各種焊縫質(zhì)量都可以采用UT 檢驗的方式來進(jìn)行檢驗，焊后熱處理可以采用爐外局部熱處理的方法完成。

 

 

         以下是空冷器管頭焊縫的圖例說明：
 

圖2　空冷器管頭深孔焊焊接圖例



圖3　空冷器管子-管板焊接接頭PT檢驗圖例
 

        圖2 是將管箱預(yù)制好以后再進(jìn)行深孔焊接的制造工藝，圖3 是先焊接管板管頭， 進(jìn)行PT 檢驗的圖示。圖2 的焊接方式等同于盲焊，焊后無法進(jìn)行直接檢驗，焊接缺陷也無法挖補(bǔ)，而圖3 的焊接及焊后檢驗就不存在圖2 那樣的所有問題。

 

 

     換熱器管束非正常腐蝕失效案例

 

 

        不銹鋼U型管的腐蝕案例

 

 

        本案例中U 型管不銹鋼換熱器管束的腐蝕問題來源于海川化工論壇，殼程介質(zhì)中不含Cl-，含有溶劑乙酸乙酯和溶質(zhì)有機(jī)物，管內(nèi)通蒸汽加熱，使用周期大約一年。

 

 

       從圖4 判斷，該換熱管的R 段有拼接痕跡（見圖4 中的藍(lán)色標(biāo)記），GB151 僅允許在U 型管的直管段進(jìn)行拼接，在R 段拼接屬于違規(guī)制造。小口經(jīng)管對接焊縫的可靠性不高，應(yīng)直接采購整支換熱管進(jìn)行彎制。
 

圖4　換熱器U型管R部位拼接圖例
 

       U 型管在拼接后會產(chǎn)生焊接殘余應(yīng)力，而彎制過程又將焊接殘余應(yīng)力與彎曲形變應(yīng)力疊加。材料在彎制時會延纖維方向拉伸，使管子靠R 外側(cè)的壁厚形成拉伸減薄，在管材進(jìn)行彎制時就可能已經(jīng)在焊縫處產(chǎn)生了微缺陷，這是使用壽命很短的主要原因。
 

圖5　換熱器U型管腐蝕失效后的PT檢驗圖例
 

     圖5 是另一臺U 型管加氫換熱器管束腐蝕失效后的PT 檢驗照片，從照片上可以看到很多橫向裂紋，是典型的應(yīng)力腐蝕特征。

 

 

       普通奧氏體不銹鋼材料中都含有少量鐵素體，部分條形鐵素體會在纖維拉伸的作用下斷裂，形成微小空洞。本人在其它科研項目中對304L 的焊接彎曲試樣進(jìn)行微觀分析時發(fā)現(xiàn)，條形鐵素體斷裂的最大空洞尺寸約30μm。所以，對于U 型管應(yīng)進(jìn)行固溶熱處理以恢復(fù)材料的組織性能。很多制造企業(yè)由于條件有限而不做固溶熱處理，導(dǎo)致很多U 型管R 段在應(yīng)力腐蝕介質(zhì)的作用下腐蝕失效。U 型管冷彎后進(jìn)行整體固溶熱處理處理或在R 段做局部固溶熱處理，按國內(nèi)現(xiàn)有技術(shù)能力都是可以實現(xiàn)的，這樣既可以完全消除彎曲應(yīng)力，又能將鐵素體重新固溶，起到修復(fù)微缺陷的作用。

 

 

        管束管頭焊接質(zhì)量問題

 

 

        本案例為某地方煉油企業(yè)原料油- 減一線換熱器，換熱管材質(zhì)08Cr2AlMo，管板16Mn 鍛，使用4 個月以后開始泄漏，后經(jīng)過3 次堵管，使用11 個月后報廢（見圖6）。08Cr2AlMo 換熱器管束在該部位的正常使用壽命應(yīng)該超過3 年。

 

       該設(shè)備殼程介質(zhì)原料油，溫度65～ 85 ℃，管程介質(zhì)為減壓塔頂油氣，溫度130～100℃，管程為濕硫化氫腐蝕環(huán)境。殼程管外基本無腐蝕痕跡，管程換熱管、管板和焊縫金屬僅見輕微腐蝕痕跡，泄漏點均出現(xiàn)在管口焊縫的熔合區(qū)。經(jīng)分析， 腐蝕原因如下：

 

 

      （1） 材質(zhì)不匹配：08Cr2AlMo， 管板16Mn 鍛，焊材H08CrMoA；

 

 

      （2） 焊接質(zhì)量很差：焊縫高度明顯不夠，不滿足圖紙和GB151 要求。

 

 

       很多制造企業(yè)的焊接工程師不知道08Cr2AlMo 其實就是有淬硬傾向的Cr-Mo 鋼，這種淬硬傾向在北方的冬天尤為明顯， 必須按焊前預(yù)熱、焊后消氫和最終回火熱處理工藝來進(jìn)行嚴(yán)格制造和過程控制。對于預(yù)熱、后熱和熱處理，很多企業(yè)把關(guān)不嚴(yán)，或不知道該怎么做，就干脆不做，這是該材質(zhì)換熱器管束使用壽命很短的直接原因。

 

 

    壓力容器非正常失效的案例

 

 

        奧氏體不銹鋼容器非正常失效案例

 

 

        奧氏體不銹鋼與碳鋼和低合金鋼相比，具有熱膨脹系數(shù)大，熱導(dǎo)率低的特點。由于冷卻速度慢，奧氏體不銹鋼設(shè)備在焊接時會導(dǎo)致焊縫收縮量大和焊接應(yīng)力大， 在焊接過程中應(yīng)嚴(yán)格控制線能量，并對設(shè)備本體進(jìn)行有效防護(hù)。設(shè)備在焊接時若不對母材進(jìn)行保護(hù)，而任由飛濺和焊瘤與母材熔為一體，這將使局部產(chǎn)生冷卻收縮應(yīng)力，極易造成點腐蝕，以及由點腐蝕源所造成的應(yīng)力腐蝕破壞。如某化工企業(yè)一臺316L 材質(zhì)的環(huán)己烷污水分離器，使用1 年后就發(fā)生腐蝕泄漏，而原污水分離器在使用304L 的情況下正常運行時間都超過2 年。檢修時在罐內(nèi)發(fā)現(xiàn)了大量焊瘤和飛濺痕跡， 在焊瘤和飛濺部位，均可用肉眼看到腐蝕坑點（見圖7）。在該設(shè)備物料介質(zhì)中， 僅有極少量乙酸和氯離子，在入口處的氯離子含量僅2～5ppm，由于隨意起弧的焊瘤和飛濺給氯離子的聚集創(chuàng)造了條件，在污泥沉積后便形成由點腐蝕源構(gòu)成的應(yīng)力腐蝕破壞。

 

 

       該設(shè)備僅在焊縫粗制濫造部位出現(xiàn)腐蝕泄漏，其余部位均未發(fā)現(xiàn)任何腐蝕痕跡， 如果能嚴(yán)格按工藝要求控制焊接過程，該設(shè)備在氯離子含量很低的情況下，其使用壽命將大大延長。圖7 是該設(shè)備隨意起弧以及焊瘤腐蝕后的凹坑痕跡。
 

 

      低合金碳鋼容器內(nèi)壁的非正常裂紋

 

 

      本案例為某核電廠還沒有投入使用的除氧器，按ASME Ⅷ-1 卷進(jìn)行制造，材質(zhì)為SA516-G70，化學(xué)成分和機(jī)械性能相當(dāng)于Q345R，厚度38mm。設(shè)備到現(xiàn)場后經(jīng)檢驗發(fā)現(xiàn)容器內(nèi)壁有一處裂紋，見圖8。
 

        經(jīng)UT 檢測， 發(fā)現(xiàn)缺陷深度最大約11mm。該缺陷發(fā)現(xiàn)后現(xiàn)場檢驗人員認(rèn)為是母材質(zhì)量問題，但裂紋周邊橢圓形痕跡與母材明顯不同，橢圓長寬尺寸大約35×20mm，經(jīng)判斷裂紋周邊橢圓形痕跡內(nèi)的金屬為焊縫。該問題產(chǎn)生的原因無資料可追蹤，分析為鉚工在裝配時損傷了母材， 害怕被追責(zé)，而沒有按質(zhì)保程序進(jìn)行處理， 在沒有焊接工藝指導(dǎo)的情況下進(jìn)行了私自補(bǔ)焊。缺陷挖補(bǔ)的焊接難度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于一般普通正常焊縫的焊接技能，沒有壓力容器焊接證書的鉚工是不可能完美完成焊接修補(bǔ)的。從宏觀可以判斷，該缺陷是由夾渣引起的裂紋。說到底，是鉚工想蒙混過關(guān)。對于核電設(shè)備的制造，比一般石化壓力容器的過程控制應(yīng)更為嚴(yán)格，說明該設(shè)備制造企業(yè)的質(zhì)保培訓(xùn)被走了過場，鉚工質(zhì)量意識薄弱。

 

 

       本文之所以把這個案例拿出來與大家分享，是因為核電設(shè)備在使用前的檢驗非常嚴(yán)格，從而可以避免在使用過程中發(fā)生非正常失效。石化企業(yè)的設(shè)備驗收一般以水壓試驗和質(zhì)量證明文件為依據(jù)，基本沒有對罐體內(nèi)壁進(jìn)行檢驗。該案例中出現(xiàn)的質(zhì)量問題在石化企業(yè)大量存在，只有加強(qiáng)使用前的嚴(yán)格檢驗才有可能將非正常失效的安全危害降到最低。

 

 

    其它與腐蝕相關(guān)的制造問題探討

 

 

      關(guān)于換熱器管束的脹接問題

 

 

       換熱器管束的腐蝕泄漏不僅僅發(fā)生在管頭焊縫，許多脹接過的換熱管也有腐蝕泄漏的情況。普通奧氏體不銹鋼、雙相不銹鋼， 以及15CrMo、12CrMo 的換熱管都有許多在脹接部位存在非正常腐蝕泄漏的案例，如大連石化在2000 年投入幾臺SAF2205 的雙相不銹鋼管束使用不到3 個月就發(fā)生多支換熱管穿孔，其穿孔部位均位于離管口15～20mm 處。還有許多企業(yè)也都有過奧氏體不銹鋼換熱管在脹接部位發(fā)生腐蝕泄漏的事故（見圖9）。由于泄漏點發(fā)生在離管頭焊縫較近的管子母材上， 責(zé)任的劃定往往由制造企業(yè)和管材生產(chǎn)企業(yè)擔(dān)責(zé)，很多制造企業(yè)都被當(dāng)成了冤大頭。

 

 

       德國巴斯夫公司在WN75-100 的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定，當(dāng)管子內(nèi)外有腐蝕及應(yīng)力腐蝕介質(zhì)時，不推薦采用機(jī)械或其它方式脹管。北京鋼鐵研究總院的陸世英教授曾經(jīng)做過試驗，發(fā)現(xiàn)321 不銹鋼材料的換熱管貼脹以后脹接變形臺階處的殘余應(yīng)力超過100MPa。奧氏體不銹鋼在冷作變形過程中屈服強(qiáng)度會迅速上升，冷作硬化極其明顯， 是構(gòu)成應(yīng)力腐蝕的直接原因。雙相不銹鋼中的奧氏體只有50% 左右，在冷變形中不穩(wěn)定的奧氏體會轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，是造成脹接部位腐蝕穿孔的主要原因。鉻鉬鋼塑性較低，淬硬傾向明顯，脹接后在臺階處的附加應(yīng)力很大，將會使脹接部位變脆。

 

 

       奧氏體不銹鋼在脹接部位的腐蝕特征為微裂紋，雙相不銹鋼在脹接部位的腐蝕特征則主要為腐蝕穿孔，裂紋較少，而鉻鉬鋼在脹接部位的腐蝕特征主要為穿孔。因此，本人建議在所有存在氯離子及其它鹵素介質(zhì)的應(yīng)力腐蝕環(huán)境中，奧氏體不銹鋼、雙相不銹鋼和鉻鉬鋼換熱管都不進(jìn)行任何形式的脹接，應(yīng)以強(qiáng)度焊為主。

 

 

        以下圖例中，圖9 是304 不銹鋼管束試壓時管內(nèi)噴霧的圖片，圖10 是15CrMo 合金鋼管束試壓時管內(nèi)噴水的圖片。
 

圖9　304不銹鋼管束脹接部位泄漏圖例



圖10　15CrMo管束脹接部位泄漏圖例
 

       從圖9 和圖10 的試壓照片可以看出， 304 不銹鋼的水霧和15CrMo 的水柱都是從離管端很近的管內(nèi)噴出來的，都是材料脹接以后的不適應(yīng)性影響。脹接的目的是防止殼程管板管孔與管子外壁發(fā)生縫隙腐蝕， 但忽略了不同材質(zhì)的換熱管在形變應(yīng)力條件下的不適應(yīng)性，這種不適應(yīng)性將使管束使用壽命大大縮短。當(dāng)縫隙腐蝕與脹接的不適應(yīng)性發(fā)生沖突時，應(yīng)以兩權(quán)相害取其輕來考慮。

 

 

        奧氏體不銹鋼管件、膨脹節(jié)和封頭的非正常腐蝕失效

 

 

        奧氏體不銹鋼管件和膨脹節(jié)在實際使用過程中出現(xiàn)大量腐蝕失效的案例。與前述U 型管冷作變形的原理一樣，管件和膨脹節(jié)在制造過程中的變形量都很大，只有固溶處理才能徹底消除形變應(yīng)力和微觀缺陷，但大多數(shù)管件制造企業(yè)以高溫拔制或高溫推制代替了固溶熱處理。在國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中， 奧氏體不銹鋼膨脹節(jié)和封頭都沒有固溶熱處理的強(qiáng)制要求，所有制造企業(yè)在部件制造完成后都不做固溶熱處理，這是造成應(yīng)力腐蝕的主要癥結(jié)所在。如果使用單位的工況介質(zhì)中有硫化氫和氯離子等腐蝕介質(zhì)， 建議在采購技術(shù)條件中對不銹鋼管件、膨脹節(jié)和封頭提出固溶熱處理的強(qiáng)制要求。

 

        圖11 是膨脹節(jié)出現(xiàn)應(yīng)力裂紋后補(bǔ)焊的圖片，裂紋出現(xiàn)在膨脹節(jié)翻遍的焊縫附近， 為形變應(yīng)力與焊接應(yīng)力疊加后出現(xiàn)的應(yīng)力腐蝕失效。圖中圓孔是維修焊接前為阻止裂紋延伸的人工孔。

 

 

        以上案例和探討的內(nèi)容是國內(nèi)空冷器、換熱器、壓力容器等靜設(shè)備在制造和使用管理上的一些共性問題，希望引起制造企業(yè)、使用單位以及行業(yè)管理部門的高度重視。國內(nèi)壓力容器制造企業(yè)幾千家，絕大多數(shù)是中小企業(yè)，在此也衷心希望國內(nèi)中小型壓力容器制造企業(yè)能夠真正從技術(shù)管理水平和質(zhì)量檔次上強(qiáng)大起來。