催化换热管板裂纹原因分析

李韵（上海高桥捷派克石化工程建设有限公司，上海 200137）

催化换热管板裂纹原因分析

李韵（上海高桥捷派克石化工程建设有限公司，上海 200137）

中石化高桥分公司#2催化装置一台给水预热器管束在投入运行不久，管板侧渗漏严重造成紧急停运。经解体检查，管板出现裂纹为本次事件的主因。针对这一缺陷，本文从制造质量、原材料生产逐一剖析，深入阐述管板开裂原因，并提出相应的防范措施及该事件最终的解决方案。

裂纹；防范措施；修复方案

本案例为U型管式换热器，即换热管弯成U型，两端分别固定在同一管板上下两区。管板作为换热器的主要受压原件，无论是原材料锻造，加工制造都对其有至关重要的影响。

1 裂纹及状态分析

#2催化一给水预热器在管束更新、投入运行近5个月后，管板密封面出现严重渗漏，迫使设备紧急停运。因情况不明，对换热器进行解体检查，抽出换热管束后，在换热器管板密封面外缘发现一道径向裂纹，长度约30mm，贯穿至最外缘，深度约5mm，同时集中交叉多道较浅的横向裂纹，呈扩张态。

由于管板裂纹的贯穿性导致介质外漏，影响到设备运行。一台投用不久的换热器，管板为何在如此短的时间内出现多道裂纹，原因值得深究。

1.1 制造状态

采购的锻件呈锻坯状态入库，再由制造单位金加工，其表面层进行车削、内部钻孔，这样一来，表面层的硬度会有所改变，若硬度超标或不到标准数值，都会导致后期管板因工作状态的改变而出现裂纹；此外，碳当量是决定强度和可焊性的主要因素，也直接关系到裂纹敏感性指标。一般制造单位在核对原材料各项化学成分后，不会进一步复验（除有要求或者有疑点）。事实上两项指标在制造过程中没有检测，也给管板表层出现裂纹埋下隐患。

1.2 原材料生产状态

管板原材料为连铸圆坯，经锻件厂锻造成型，尺寸为φ698* 100，采用正火热处理。若铸坯本身内部组织不均匀、晶粒粗大，带有金属或非金属夹渣物，如果锻造过程中加热工艺不当，坯料内外温差较大产生热应力，这一应力数值超过其本身强度极限，就会产生裂纹；此外若锻造工艺不当，在坯料加热时产生氧化皮，锻造过程中被锻进锻件里，形成不规则片状或点状，潜伏于锻件表层或表层不深处，为后续使用状态（温度、交变应力）变化导致出现裂纹留下隐患；再者锻造过程中当温度达到材料终锻温度以下，还强行锻造，导致内应力剧增，硬化偏大、倒棱时压下量过大等都会致使内部出现裂纹；此外后续锻件热处理时，若锻件受热不均、冷却方式不当都会产生裂纹。

该16MnⅡ锻件没有在热处理前后进行超声检测（Ⅲ锻件须进行），所以对于锻件内部的裂纹无法及时发现，这也是本次锻件出现裂纹最大的疑点。

2 防止管板裂纹的有效措施

管板出现裂纹的可能性较多，是一种或多种因素的叠加。管板出现裂纹后渗漏导致设备无法运行造成的损失及危害也是相当严重的。所以，在分析原因的同时，更应采取有效措施，避免类似情况再次发生。

2.1 制造措施

对于采购状态为锻坯，入库后需要进一步金加工的材料，在管板车削加工后应对其表面进行硬度检测，且硬度必须≤HB180。必要时还要做碳当量的复验，确保碳当量在允许范围内，从而彻底排除因制造过程导致管板出现裂纹的可能因素。

2.2 原材料生产措施

本次管板裂纹事件最大的可能因素就是原锻坯生产问题，针对该过程分析：按照锻件锻造工艺流程，首先对铸坯熔炼成分、碳当量做确认，再对其低倍组织进行检测，合格后进入下一道工序。加热时要确保锻坯内外受热均匀，避免产生较大热应力，同时锻造温度应控制在锻件终锻温度以下的安全数值，不可超温锻造。选择正确的锻造工艺也是关键，为防止锻造过程中将氧化皮等杂物锻进锻件内部或表层，首先要控制预镦粗变形量，再者要保证压实所需变形工艺参数，锻坯的重量与压机吨位要匹配，砧宽比及单位压下量要满足要求。另外必须控制终锻火次及变形量，该过程是为修复前步锻造工艺中可能产生的、探伤可见的夹杂性裂纹，同时利用锻件高温停锻效应，确保锻件内部晶粒尺寸均匀，防止产生混晶现象。后续锻件热处理过程参数控制也相当关键。该锻件采用正火热处理，入炉温度控制在400℃以下，升温速度控制在350℃以下，保温温度为920℃±10℃，保温时间3h，要求均热，采用空气冷却，出炉温度为920℃±10℃。此外，保险起见，对重要锻件在热处理后应进行超声检测，确保锻件内部无裂纹。

3 管板裂纹修复方案

因设备无法长时间停运，当即对该换热设备管板出现的裂纹进行现场修复，返修方案具体如下：

3.1 碳弧气刨清除裂纹区域

用石棉布对换热管进行遮蔽保护，碳弧气刨刨出弧坑、清除裂纹。用旋转锉打磨，使弧坑内部露出金属光泽。采用着色探伤，确认管板上的裂纹已经彻底清除。

3.2 补焊及焊后打磨

使用手工焊修补，焊条牌号J507，直径4.0mm，焊接电流140～160A，焊接电压22～25V，弧坑长度40mm，弧坑深度10mm，焊接前不需要预热，但焊接时需控制层间温度，层间温度≤150℃。每堆焊一层后必须彻底清除药皮，防止夹渣。焊缝应略高于母材，且无咬边及表面缺陷。

用磨光机清除焊缝高出的部分，因焊缝有一部分处于管板密封面，用抛光砂轮打磨出密封面，使之光洁度≤12.5。

3.3 超声检测

对堆焊区域进行超声波探伤，满足超声检测Ⅰ级合格后管板方可再次投入使用。

4 结语

该台催化预热器管板裂纹修复完毕，设备重新投入使用，本次故障缺陷彻底消除。管板裂纹迫使设备紧急停运造成的损失不言而喻，为防此类事件重蹈覆辙，从管板原材料锻造到设备加工制造，乃至设备投用后的运行操作都应严格按照工序要求进行，切不可有半点偏差。

[1]NB∕T47008-2010，承压设备用碳素钢和合金钢锻件.

[2]GB151-2014，热交换器.

[3]锻造加工技术 化工工业出版社.

[4]NB∕T47015-2011，压力容器焊接规程.