变换气冷却器渗漏分析

点击：1749 日期：[ 2014-04-26 22:42:37 ]

作者:李小建摘　要　对变换气冷却器蒸汽进口管与筒体连接角焊缝处裂纹进行分析,得出疲劳应力是其主要原因。另外,部分应力腐蚀、不适当的接头结构及焊接工艺也是引发裂纹、产生渗漏的原因。　关键词　冷却器　裂纹　渗漏　疲劳　应力腐蚀　残余应力　换热器　　我公司合成氨厂变换系统装置——变换气冷却器运行约半年时间,在饱和蒸汽进口管与筒体连接的角焊缝部位出现裂纹,发生渗漏现象,经返修一个月后再次出现渗漏,严重威胁到变换气冷却器的安全可靠运行。于是,公司不得不报废该台设备,重新制作新设备。据了解,该台设备已更换了三次,以前报废的原因也是如此。为了彻底查明该设备失效的原因,防止下一台设备又出现此问题,我公司组织相关人员在设计制造前进行了研究分析。 1　变换气冷却器参数和材料　　变换气冷却器为立式换热器,内径1200mm,壁厚12mm,总高4483mm,材质为0Cr18Ni10Ti;饱和蒸汽进口管材质为0Cr18Ni10Ti( 76×5.5);焊材为A132。饱和蒸汽进口管与筒体的连接如图1所示。其他参数见表1。 2　渗漏分析 2.1　温差交变应力引起疲劳裂纹　　据工艺人员提供的数据显示,饱和蒸汽不但温度高,而且并不恒温,温度变化幅度大,在200～340℃之间交替变化。另外,设备承受高温蒸汽的作用是间歇性的,设备在使用过程中经常(呈周期性)要进行加压、卸压。因此,焊接接头处受到温差交变应力的作用,即接管角焊缝处长期承受疲劳循环应力,最终导致疲劳裂纹的出现[1]。 2.2　高温下的应力腐蚀　　高温饱和蒸汽对不锈钢应力腐蚀开裂也有影响。高温蒸汽对不锈钢应力腐蚀开裂的影响存在一敏感温度范围,为150～300℃,且在300℃附近最易产生应力腐蚀开裂[2],而该设备饱和蒸汽工作温度为160～340℃,恰好处于这一敏感温度范围,故接头处易发生应力腐蚀,导致渗漏事故。 2.3　不适当的接头结构及焊接工艺　　接管与筒体的连接处为角焊缝。众所周知,角焊缝接头的拘束度大大高于壳体环焊缝,因此角焊缝处的残余应力较大。在焊接过程中,如果仍采用筒体环焊缝的焊接参数焊接角焊缝,这时焊接线能量较大,将促使晶粒度增大,导致在焊缝熔合区出现硬脆组织,引起焊缝熔合区材质硬度增大,出现严重的脆化。硬脆组织对于不锈钢接头的应力腐蚀开裂影响很大,硬度越高,产生应力腐蚀开裂的临界应力就越低[3]。另一方面,过大的焊接线能量及不锈钢固有的特点(不锈钢线胀系数大,对热作用力敏感)使接管角焊缝区产生焊接残余应力。在较大的焊接热输入时,部分合金元素(Cr,Ni)被烧损,结果焊缝熔合区碳的扩散迁移未受到任何抑制,相反却使高的焊接残余应力峰值落到角焊缝区严重脆化的增碳层上,导致角焊缝熔合区出现裂纹。　　对于角焊缝,虽经多次补焊修复,但由于补焊工艺欠妥,特别是在焊接时再一次产生较高的局部应力集中,焊后又未采取消应力处理,因此进一步加剧了碳的扩散迁移,使焊缝中硬脆组织增加,结果导致接管角焊缝脆化和裂纹倾向增大。　　综上所述,疲劳应力是导致接管角焊缝产生裂纹的主要原因,另外还存在应力腐蚀、接头结构、焊接工艺等原因,这些因素的共同作用使接管与筒体的连接角焊缝处出现腐蚀开裂,导致渗漏事故。 3　解决办法　　根据产生裂纹的原因,在接头结构及焊接工艺上作了调整,以抑制焊缝开裂现象发生。 3.1　改善结构　　接管与筒体连接处的结构改进如图2所示。先将接管焊在套筒上,然后将套筒焊在筒体上,注意接管要通过套筒伸入筒体内。这样,一方面可使接管承受的温差交变应力大大地降低,即降低出现疲劳裂纹的风险;另一方面可避免高温饱和蒸汽直接腐蚀焊接接头(角焊缝),有助于避免应力腐蚀。 3.2　焊接工艺　　在焊接工艺上采取小电流和小的焊条摆幅,以减少焊缝区硬脆组织的产生。　　按改进方法制造的新设备自2003年5月投用以来,蒸汽进口管与筒体的连接处未出现渗漏现象。实践证明,该改进措施是有效的。参　考　文　献 1　王志文等.压力容器安全技术及事故分析.北京:机械工业出版社,1993.　 2　陈伯蠡.焊接工程缺欠分析和对策.北京:机械工业出版社,1998.　 3　陆世英.不锈钢应力腐蚀破裂.北京:科学出版社,1977.(收稿日期:2004-05-04)

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