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压力管道典型案例——TP321加氢管道开裂原因分析
作者: admin 来源: 未知

  加氢装置中高温高压临氢管线设计参数高,其设计压力为10.41~22.38MPa,设计温度为240~442℃,介质均为一段混合进料、氢气、循环氢等,规格为φ560mm*54mm、φ508mm*50mm、φ457mm*45mm,使用条件苛刻,焊接技术要求高(较易产生裂纹等缺陷),焊后稳定化处理难度大。

  某化工企业加氢装置中TP321材质厚壁管道(30mm以上)预制过程中大面积出现裂纹,裂纹多沿焊缝熔合线延伸。

  裂纹集中出现在壁厚为45mm以上的管子与管子或管子与管件的对接焊缝上,在稳定化热处理后检出,多呈现环向长条状,紧邻融合线位置,少数为焊缝中心纵向短小裂纹,极少数裂纹出现在母材位置,缺陷如图1所示。

  (1)针对裂纹的出现,监检机构、安装单位、建设单位、监理单位、设计单位召开了专题会,分析问题的产生原因,并制定了相应措施,由于前期裂纹焊口均为法兰口,怀疑主要由下面原因造成:

  ①在焊道稳定化热处理过程中,未对法兰口进行保温棉包覆,内部未用保温棉塞住,造成加热过程中,焊缝内外、法兰侧温度差梯度大,焊缝加热不均匀而导致内部应力。

  ②热处理时,法兰和管道没有进行独立支撑,存在法兰重量完全靠焊缝支撑的问题,在热处理阶段也给焊缝施加了额外的应力。

  ①热处理时,为避免意外应力的发生,对管道摆放支撑进行检查,确保焊缝没有额外受力,现场热处理时可进行必要的加固;

  ②热处理前检查保温棉的包覆效果,加大包覆范围,对于法兰等容易造成加热不均匀的管配件焊口增加保温范围,以保证热处理时受热均匀;

  (2)由于改进热处理措施后依旧普遍出现裂纹,监检员对管道材料进行复验,对焊材、管子、管件进行光谱分析、现场取样化学成分分析、力学性能及金相组织复验,复验结果核对材料质量证明书,发现各材质的化学成分及力学性能均在标准规定范围内,符合要求,从而排除了因管道材料问题产生裂纹的可能性。

  (3)排除因材料质量问题产生裂纹的原因后,考虑到裂纹主要出现在热处理后,设计了多组试验方案,如表1、表2、表3。

  ①为验证是否为焊材或热处理工艺方面的问题,分别进行了多组试验,如表1中试件2、试件3、试件4、试件5所示。但试验结果均有不同程度的性能不满足要求或开裂现象。

  ②此外,为验证焊口在不进行稳定化热处理情况下的焊缝性能,采用天泰焊材制作焊评,(如表1中试件7,在与之前试验同焊工、同焊接设备、同焊接工艺的情况下进行),焊接完成后不进行热处理,结果如下:晶间腐蚀试验合格,焊缝金相组织在200倍放大观察下为奥氏体+枝状、球状铁素体。本试验弯曲、拉伸等力学性能检测均合格,金相组织较好。

  ③为验证较薄不锈钢管道在不同热处理状态下的焊缝性能,采用曼彻斯特及天泰焊材分别制作试件5个,试件规格φ273mm*28mm,在同焊工、同焊接设备、同焊接工艺下进行,各试件热处理工艺、焊材使用情况及试验结果见表2。本试验中,除试件4弯曲试验不合格外,其余各种检测均合格。

  ④为验证焊后热处理工艺的有效性,检测焊口热处理时内外管壁间的温差,分别取3段TP321管子进行热处理试验,其中现场工况为焊缝及两侧约500mm内包保温棉,管道两侧管口用保温棉封堵;试件工况为焊缝及管道短节全部用保温棉包裹。具体试验方案如表3所示,试件规格为φ560mm*54mm,现场工况管件规格为φ273mm*28mm和457mm*45mm,外壁由热电偶控温,内壁由热电偶监控温度,热处理过程中观察内外的温差。通过上述试验发现,在现场工况下,厚壁不锈钢管道的内外壁温差达到100~200℃,焊缝内部温度根本无法达到870℃以上的稳定化温度。若要保证内部温度达到稳定化处理温度,则外部加热温度将进入固溶化处理状态,目前现场使用的电加热设备无法达到此要求。

  综合以上试验结果可知:厚壁(大于30mm)TP321不锈钢管热道热处理对焊缝性能影响较大,总体趋于负面;厚壁TP321不锈钢焊口现场热处理时由于不锈钢导热性能差,内部温度无法达到稳定化处理温度,而现有设备无法满足内外同时加热条件;厚壁不锈钢管线的焊接应力对再热裂纹的产生有较大影响。

  针对TP321厚壁管道焊后热处理后焊缝出现裂纹问题,为保证最终质量,监检员组织安装单位、建设单位、设计单位、监检单位、监理单位及其他相关业内专家讨论会,经过充分探讨,借鉴国内外已有不做稳定化处理的经验,结合现有技术条件,应取消壁厚30mm以上TP321奥氏体不锈钢焊接接头稳定化热处理的要求,并要求安装单位执行以下措施:

  (1)采用现场最大规格管段,制备模拟不同焊接材料下的试件,检验焊接试样敏化处理条件下晶间腐蚀试验是否合格,合格后方能最终取消焊后稳定化热处理;

  (2)施工期间试压冲洗等使用除盐水(并附水质分析报告),以保证氯离子符合规范要求,试压结束后将管内积水及时放净吹干;

  (4)停工检修此类管道期间,应严格按照奥氏体不锈钢防止连多硫酸腐蚀的保护措施进行保护,采取碱液清洗或者氮封保护等措施;

  (5)现场经过返修和多次热处理的焊口,应在质量记录上如实反映,为以后管道的全面检验提供依据。

  经过对TP321材质加氢管出现裂纹原因的分析,万博ManBetX官网,结合现场试验研究,对相关原因进行逐项排查,最终锁定为现有热处理设备满足不了不锈钢稳定化处理要求——厚壁管内外温差过大,万博ManBetX官网热应力导致裂纹出现。根据比对试验结果,不进行焊后稳定化热处理的试件各项力学性能、抗晶间腐蚀均满足要求,因此召集相关参建单位及业内专家进行充分论证,最终免除了TP321加氢管焊后热处理。

  通过该管线的监检,我们应充分考虑现场条件的制约,在执行标准法规的同时应衡量相关措施的利弊,选择最有利于保证管线质量的施工方式。

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