一起换热器人孔角焊缝出现裂纹的案例分析

一起换热器人孔角焊缝出现裂纹的案例分析

吴锡鸿

广东省特种设备检测研究院顺德检测院     528300

摘要：随着我国压力容器保有量的增加，对压力容器实施定期检验也成为了企业乃至社会安全生产中不可或缺的重要环节。本位以一台换热器为例，通过对其实施定期检验，发现人孔角焊缝存在表面裂纹，对缺陷成因与风险进行分析，并对相应缺陷提出防控措施。

关键词：压力容器；表面裂纹；人孔角焊缝

0.引言

压力容器作为承受一定压力的密闭容器，在石油、化工、医药及轻工等行业广泛应用，在推动我国经济高质量发展过程中发挥了举足轻重的作用[1]。压力容器在使用过程中不可避免会产生腐蚀减薄、环境开裂、疲劳和磨损等损伤，加上长期服役可能引起材质劣化，潜在危害性极大，一旦发生事故造成较大的人员伤亡和财产损失。如表1所示，据国家市场监督管理总局统计，截止2023年，我国压力容器总量为533.92万台，相比2014年增长了65%，而在这十年期间，全国共发生压力容器事故106起。

表1 2014—2023年全国压力容器总量与全国压力容器事故数量

压力容器在制造过程中，常用焊接方法实现各部分的连接，主要有筒体与封头的连接部位、筒体与法兰的连接部位、筒体上开孔接管与筒体的连接部位等。在焊接过程中，焊缝余热的存在会加剧容器中结构不连续性所带来的应力集中[2]，另一方面焊接残余应力的存在，又将造成应力集中，应力峰值的提高，严重威胁焊接结构的使用安全性[3]。所以压力容器使用是否安全完全取决于焊接质量，而影响焊接质量的因素主要有焊接过程缺陷（如气孔、夹渣、夹砂、咬边、未熔合、未焊透等）和焊接热应力集中缺陷（常见有强度降低、升高和裂纹）。焊接过程中的缺陷多数是因操作不当引起的，属于可视化缺陷，可以在定期检验的期间，通过宏观检查、表面无损检测、埋藏缺陷检测、硬度检测、金相分析等手段进行检查并加以纠正。

本文以一台换热器的现场检验为例，通过对其开展定期检验后，成功发现其存在的缺陷，对缺陷成因与风险进行分析，并对相应缺陷提出防控措施。

1.设备基本情况

所检设备为广东某石化企业苯乙烯装置的低低压废热换热器（设备位号：E-41303）。该设备由茂名重力石化机械制造有限公司于2013年1月进行制造，投用日期为2013年12月，设计使用寿命为12.5年；该设备直径为2200mm，筒体厚度为16mm，长度为7643mm，换热面积932.4㎡，筒体、封头与管箱材质均为Q345R；设计压力（壳程/管程，下同）0.38/0.25MPa，设计温度150/210℃，操作压力0.169/0.035MPa，操作温度110/161.73℃，介质为锅炉给水/烃类该设备分别于2015年11月进行首次定期检验，2019年7月进行定期检验，均未记录可见缺陷。

2.检验发现问题

在2023年11月对该设备进行宏观检查时发现人孔焊缝D1内表面发现多处表面裂纹，后经磁粉检测后确认裂纹最长长度约30mm（见图1、图2、图3）。由辅助单位打磨2mm后发现存在夹渣，打磨约5mm后完全消除。

图3 裂纹细节

3.缺陷成因与风险分析

由操作条件与环境分析，该设备并不具备产生裂纹的条件；通过查阅出厂资料，发现装配图要求壳体与接管的的连接接头均需是全焊透型式；通过查阅以往检验与检修资料，从未登记该位置存在缺陷；MT检测发现裂纹后，通过辅助单位打磨2mm后发现该焊接接头内表面存在夹渣。由此初步推断该处角焊缝产生多处表面裂纹的主要原因是制造过程中，由于壳体与接管焊接不当，造成了夹渣。在长达10年的使用过程中逐步扩展至表面，进而产生表面裂纹。

出现裂纹的焊缝位于换热器的危险截面位置，此处受力复杂，加上该设备使用频繁，这些都将使裂纹的扩展速率大幅提高，当裂纹继续扩展到一定程度时会降低金属结构强度、引起金属结构断裂，影响换热器的稳定性，严重时可能出现介质渗漏甚至人孔部件断裂的生产事故。

出现裂纹的焊缝位于换热器的危险截面位置，此处受力复杂，加上该设备使用频繁，这些都将使裂纹的扩展速率大幅提高，当裂纹继续扩展到一定程度时会降低金属结构强度、引起金属结构断裂，影响换热器的稳定性，严重时可能出现介质渗漏甚至人孔部件断裂的生产事故。

4.防范措施

（1）制造单位应当加强焊接质量工作，严格依照图纸进行焊接与装配，避免因为粗制滥造导致的产品质量下降；同时应当严格依照设计文件要求，在焊后对表面进行磁粉检测，及时发现缺陷并进行消除，将不安全因素扼杀在摇篮之中。

（2）使用单位应采取有效措施保障压力容器的安全工作，一是找有能力的单位对裂纹进行消除后进行返修；二是加强日常维护保养，加强对主要受压部件的检查，及时发现微小裂纹，在裂纹出现初期进行处理，密切关注裂纹扩展情况，及时采取措施保障安全。三是要提高特种设备安全使用意识，落实自身主体责任，制定相关规章制度，对操作人员和相关人员定期开展安全教育，并加强巡查。

（3）检验机构应加强对压力容器的接管部位进行检查，必要时应进行无损检测，发现问题及时要求使用单位整改，消除安全隐患。

参考文献

[1] 陈学东, 范志超, 崔军, 陈永东, 章小浒, & 程经纬. (2021). 我国压力容器高性能制造技术进展. 压力容器.

[2] 戚晓宁, 石磊, & 曹永. (2009). 压力容器管口应力分析. 石油和化工设备, 12(8), 3.

[3] 徐琳, 佘昌莲, 周旭春, & 严仁军. (2006). 焊接变形预测的研究进展. 机械工程师(2), 3.