奥氏体不锈钢换热管束管头开裂的修复实践

时丕斌

中国石油辽河石化公司，辽宁盘锦 124022

奥氏体不锈钢换热管束管头开裂的修复实践

时丕斌

中国石油辽河石化公司，辽宁盘锦 124022

换热器受运行温度高、压力大、温差应力引起的热胀冷缩及腐蚀性介质等因素的影响，其管板和换热管焊接接头极易产生裂纹。以某柴油加氢裂化装置U型管式高压换热器为例，开展奥氏体不锈钢换热管束管头腐蚀开裂的修复研究与实践。通过理论分析、强度校核，制订了合理的修复方案；经渗透检测、脱氢热处理、机械加工、管头焊接等使缺陷得以修复。经过半年的实际运行，证明修复效果良好。

管束；修复；焊接；裂纹；奥氏体不锈钢

管壳式换热器作为一种传统的换热设备，因其结构简单、制造方便、价格低廉、选材范围广、易于清洗等优点而在各类换热设备中占据主导地位。换热器由于处在高温及压力状态下运行，此外，由于工作介质的腐蚀性、温差应力引起的热胀冷缩等因素，其管板焊接接头极易产生裂纹，严重时将产生泄漏失效[1]。

某柴油加氢裂化装置反应产物/混氢油换热器属U型管式高压换热器，为使换热器结构更加紧凑，管壳程进出口接管尽量靠近管板，并解决设备大型化带来的密封问题，将该换热器的管箱及壳体设计成焊接一体化结构，从而取消了传统大法兰式换热器连接管壳程的设备法兰[2]。换热器停工检修时发现，管板外侧端面换热管焊接接头存在大量裂纹。经分析，该换热管焊接接头应力情况复杂，且工作部位曾形成氯离子腐蚀环境，当材料处于拉应力状态，又与腐蚀介质相互接触的情况下，经过一定时间后，材料内部的微裂纹在拉应力及腐蚀介质的双重作用下扩展，并发展到整个断面，从而引起应力腐蚀开裂[3]。为降低设备投资，并保证换热器安全稳定运行，决定对管板焊接接头开裂缺陷进行维修。

1 换热器结构

该换热器结构如图1所示，其管程介质为加氢反应产物，工作压力约为11 MPa，介质入口温度约289℃，出口温度约230℃；壳程介质为柴油及氢气的混合物，其工作压力约12 MPa，介质入口温度约105℃，出口温度约180℃。

图1 高压换热器结构示意

该换热器壳体材质为12Cr2Mo1，换热器管板及换热管材质均为316L。管板直径为1 432 mm，厚度为185 mm，换热管规格为φ19 mm×2.2 mm。采用胀焊并用方式，防止缝隙腐蚀发生[4]。考虑到加氢装置反应系统工艺流程的特殊性，为了降低管板厚度，避免厚壁锻件材料力学性能降低的风险，该换热器管板采用差压设计，其设计压差为3.5 MPa。

换热器抽管束清洗发现管板及焊接接头处存在大量裂纹（如图2所示），部分裂纹贯穿换热管管头，且裂纹多呈辐射状分布，经分析判断开裂原因为氯化物应力腐蚀。

图2 换热管连接接头与管板裂纹

2 确定修复方案

2.1 管板厚度计算

考虑到修复过程中，需去除管板表面开裂金属，消除裂纹缺陷，同时还应满足管板强度要求，因此需对管板厚度进行分析计算校核，确定最大允许去除厚度。经查询设备图纸及设计资料，并综合考虑换热器管板计算厚度、腐蚀余量、名义厚度及有效厚度等设计参数，最终确定管板最大允许去除厚度为5 mm。

为了初步判定管板及管头裂纹深度，现场选定了管板开孔区及边缘非开孔区两处区域进行机械打磨。经打磨及渗透检测发现，管板开孔区域裂纹深度约2 mm，其中最大裂纹深度分布在换热管附近，裂纹深度约2.5 mm。边缘非开孔区域微裂纹深度约1.5 mm。

综上，裂纹自管板及换热管头表面开裂，并向纵深方向扩展，而且裂纹较浅，未发现深度超过3 mm的裂纹，因此，可以通过去除表面开裂金属的方式予以修复。

2.2 渗透检测

对换热器管板表面进行着色渗透检测，以确定开裂缺陷区域及具体部位，并根据检测结果，标记缺陷部位。重点检测部位包括换热管焊接接头、换热管端头及换热管内表面。

2.3 脱氢处理

为防止机械加工过程中出现冷裂纹，机械加工前，需对换热管与管板焊接接头进行脱氢处理，脱氢处理需要由适当的温度和保温时间来控制和保证，从而使氢在钢中的残存量减小到不损害钢材的延伸率和截面收缩率为准[5]。脱氢处理温度下，氢的扩散速度要比室温时高得多，它能进一步促使扩散氢从焊缝金属中逸出，通常情况下，钢材加热到300℃时，氢的扩散速度为室温时的数百倍[6]。为避免后续加工过程中产生氢致裂纹，确定脱氢处理温度为350℃，恒温时间为6～8 h。

2.4 机械加工及表面缺陷检测

脱氢处理完成后，使用镗床、铣床按标记将管板缺陷处表面（包括换热管）局部加工去除3 mm。去除金属后，再次渗透检测，如果仍有肉眼可见裂纹缺陷存在，则对该部位继续铣削加工，最大允许去除深度不可超过5 mm，以满足管板强度要求。

金属表面机械加工完成后，对加工表面重新进行渗透检测，包括换热管端头及换热管端部内表面，直至确定表面无缺陷。

2.5 换热管焊接

确定金属表面无裂纹缺陷后，重新加工管板倒角，焊接换热管。管-管板的焊接结构宜采用自动氩弧焊，其焊接接头的金相组织性能明显优于手工电弧焊，焊接缺陷率较低，微观组织的改善将使换热器抗应力腐蚀的能力提高[7]。管-板自动焊焊丝直径较小，与手工氩弧焊相比，电弧更易深入至坡口根部，既能保证良好的熔透性能，又不易产生气孔和夹渣等缺陷。

焊接工艺要求如下：采用钨极氩弧焊自熔底层，钨极氩弧焊面层，其中底层自熔电流为90～120 A，电压为11～13 V，焊接速度为8～10 cm/min；氩弧焊接面层焊丝材质/规格为H00Cr19Ni12Mo2/φ2.0，焊接电流为90～120 A，电压为11～13 V，焊接速度为8～10 cm/min；焊接过程中，严格控制层间温度不超过100℃。

换热器管板角接接头之间的距离较小，且和管板之间贴合比较紧密，采用常规的磁粉检测和超声检测无法保证磁极和探头具有良好的接触耦合。此外，换热器管板及换热管壁厚度相差悬殊，采用常规的射线检测方法，散射较严重，检测效果难以保证。因此，对于换热器管板角接接头的无损检测，多采用着色渗透检测法[9]。

2.6 换热管管端缺陷处理

若渗透检测发现换热管内壁仍有裂纹，则将该换热管强行抽出，切除部分缺陷管段后，按上述焊接工艺焊接。

如果换热管缺陷长度过长，按照上述方法仍无法去除缺陷时，则将该换热管端部去除10 mm，增加管堵，废弃该换热管。管堵安装示意如图3所示。

图3 换热管管堵安装示意

管堵焊接安装前，需将待焊换热管端部及内表面清理干净，并露出金属光泽，施焊区域不应留有影响焊接质量的铁屑、毛刺及油污等。然后，按照图3组对管堵与换热管，并采用钨极氩弧焊焊接角型焊缝。焊丝材质/规格为H00Cr19Ni12Mo2/φ2.0，焊接电流为90～120 A，电压为11～13 V，焊接速度为8～10 cm/min，焊接过程中严格控制层间温度不超过100℃。焊接完成后进行渗透检测，质量应合格。

3 应用效果

该管束在实际维修过程中，累计处理换热管管头150余根，管板轻微裂纹两处，管板表面铣削深度为3 mm，局部最大深度4 mm，满足换热器管板强度要求。管板表面缺陷维修后如图4所示。

裂纹缺陷修复完成后，将该管束回装至换热器壳体进行试压试漏。试漏过程中发现8根换热管泄漏，现场采取堵管处理后管束焊接接头未再出现泄漏现象，并经压力试验及气密试验合格。经历半年实际运行证明，取得了良好的修复效果。

图4 换热器管板缺陷维修后

4 结束语

针对加氢装置高压换热器奥氏体不锈钢U型管束换热管接头腐蚀开裂的实际案例，通过理论分析、机械加工及焊接检测等手段制订了管板开裂缺陷修复方案，并进行具体实践。经历半年实际运行证明，取得了良好的修复效果。奥氏体不锈钢对氯离子腐蚀较为敏感，该类材料在使用过程中，应通过工艺调整、加强注水等开展好工艺防腐蚀工作，尽量避免形成氯离子腐蚀环境，才能保证设备的平稳长周期运行。

[1]王一迅，陈文中.管壳式换热器管板焊接接头泄漏分析及防治措施[J].机电信息，2013（6）：99-100.

[2]何平.螺纹锁紧环换热器与隔膜密封换热器的结构分析[J].石油化工设备技术，2009，30（6）：19-20.

[3]曹凤玲，杨林，郑秀芳，等.管壳式换热器失效分析及解决措施[J].辽宁化工，2010，39（11）：1 142-1 143.

[4]朱丽娟，张丽，孙杰.换热器管-管板的焊接接头泄漏原因及改进措施[J].聚氯乙烯，2001（2）：57.

[5]朱家琛，李德臣.合金钢热处理脱氢及其现实意义[J].铸造技术，2003，24（2）：83-85.

[6]王铁舟.主蒸汽管焊接过程中的脱氢处理[J].吉林电力技术，1996（3）：54-56.

[7]林士远.换热器管-管板焊接宜采用自动氩弧焊[J].石油工程建设，1996，22（3）：47-51.

[8]刘志伟，郑宝祯，高忠.换热器管-板的全位置自动氩弧焊[J].石油工程建设，2000，26（5）：28-29.

[9]高春华，张文国.渗透检测在换热器管板上的应用和影响因素分析[J].炼油与化工，2010（3）：33-35.

Repair practice on tube head cracking of austenitic stainless steel heat exchange tube bundle

SHIPibin
PetroChina Liaohe PetrochemicalCompany，Panjin 124022，China

Cracks occur easily at the welding heads of heat exchange tubes and the tube plate of heat exchanger due to high temperature，high pressure and temperature stress as well as influence of corrosive medium.Taking the U type tubular high-pressure exchanger at a diesel hydrogenation unit for example，this paper conducts the research on tube head corrosive cracking of the austenitic stainless steelheat exchange tube bundle.The rationalrepair scheme is worked out through theoretical analysis and strength check.And by means of penetrant testing，dehydrogenation treatment，machining and tube head welding，the cracks are repaired.The practical operation of the heat exchanger for half a year proves the repair achieves the expected goal.

tube bundle；repair；welding；crack；austenitic stainless steel

10.3969/j.issn.1001-2206.2017.05.021

时丕斌（1986-），男，山东菏泽人，工程师，2009年毕业于辽宁石油化工大学，主要从事炼油设备技术管理与维护工作。Email：396953922@qq.com

2017-05-22