换热器膨胀节裂纹分析及修复方案
江苏·常州 李政
某压力容器厂为生产尿素的化肥厂承制的DN900×10的一台一分加热器，投用15个月后，发现不锈钢膨胀节（304，δ8）环焊缝熔合线上开裂三处，并有不同程度的蒸气泄漏，遂停车应急修理：在裂纹处采用气刨清根，角向磨光机打磨后，采用氩弧焊焊接修复的方法，短时间内取得了一定效果，但在四个星期后，在同一部件出现了相似的缺陷，共四处裂纹，长度5—15mm 泄漏蒸汽。引起了使用单位和制造单位的高度重视。化肥是当时农业上的紧俏物资，供不应售。每天厂里车水马龙都有汽车排著长队购买，据粗略估计该厂每小时生产化肥24吨，每吨2000元左右，经济损失是可观的，尢为重要的是安全问题。因此曾邀请了有关专家进行过多次论证，总得不到彻底解决。二年内反复出现四次泄漏和现场修复，也只能是头疼医头，脚疼医脚。长期来在领导心里是一块心病，对厂里来讲是严重的安全隐患。2004年初又出现一处800mm 长的裂纹，大量蒸气向外泄漏。应急停产后我们查阅了设计图纸、找来了工艺人员、冷作工、焊工等有关当事人进行分析，最终找到了裂纹产生的原因，并提出切实可行的修复方案，使缺陷得到有效的诊治。经过近三年的运行，设备安全性能良好，完全能满足生产实际的使用要求。
2、裂纹分析
该设备壳程内介质为蒸汽，且在使用中，管程介质没有发生泄漏至壳程的情况。因此，列出了下列主要相关情况进行分析研究：
1． 膨胀节设计的规范性。
2． 追溯材料的确认和焊材的匹配性。
3． 追查焊缝施焊工艺的过程控制。
4． 组装工艺的合理性。
5． 在设备运行中操作工艺的稳定性。
通过调查研究和复核，并查证图纸、相关的质保书及制造记录、。掌握了如下情况：
① 经计算，膨胀节的设计是符合规范要求的。
② 膨胀节的母材和焊材的匹配性是合理的，也得到了确认。 ③ 在追踪焊缝施焊的过程控制中，发现施焊人员私下改变了焊接工艺，为追求焊缝成型美观和工作效率，将DU4型焊接接头的A102，φ3.2, φ4.0焊条内外各二道焊改成了φ4.0焊条内外各一道焊，彻底改变了小电流、快速焊的的工艺要求，过大的焊接参数使用过程产生晶间腐蚀在所难免，长期使用受温差、压力影响产生晶界间的裂纹也是必然的，这对焊缝性能能否符合设计要求就可想而知了。
④ 在设备的组装工艺上，工艺人员提出的要求，是上、下管板与筒节组焊后，换热管才可以与管板焊接。而实际操作中，装配人员陷于“习惯性违章”，将管板与筒节点焊固定后，就将换热管与管板焊接，然后将管板与筒节之间焊接。这个顺序，其实对换热器，尤其是对膨胀 节或管接头的使用寿命影响很大。因为，管板与筒体在施焊中，会产生一个很大的轴向收缩应力。如果将筒体与管板先焊，产生的轴向收缩应力只不过是将两块管板之间的尺寸稍许减小，并不对换热管或管程壳体产生额外的轴向应力；但如果是管板与换热管先焊后，再焊管板与壳体，那么，管板与壳体之间的压缩应力就施加到了换热管上。这时，由于换热管是不能自由伸缩的，那它承受的压应力就将转化为膨胀节常温下的拉伸应力。换句话说，在常温状态下，这个膨胀节已经为错误的组装工艺顺序预支了相当一部分的膨胀量。因此，在实际使用中，原始计算合格的膨胀节就可能产生调节能力不足的现象。
⑤ 经了解的设备现场运行过程中，未发现有违反操作工艺的使用能对膨胀节构成不良影响。
3、结论
根据以上情况，我们认为：由于装配工艺顺序的错误造成实际应力超标，焊接工艺规范执行不力造成焊接接头性能不符合设计要求，这是膨胀节产生裂纹的主要原因。鉴于膨胀节已多处开裂，应力已得到部分释放以及原焊缝性能已不可能满足使用要求的实际情况，我们作出如下修复措施。
4、返修方案
在清除原膨胀节焊缝时发现沿焊缝方向树根状裂纹，决定全焊道返修，具体要求如下：
1、分二次清除原有焊缝，各对称1/2，并使应力得到彻底释放，在膨胀节内壁处，要求贯通，并力求缝隙均匀，坡口角度适当便于施焊。气刨时要注意不得有熔融状的飞溅物射向设备内部，损坏换热管。
2、用角向磨光机将刨口打磨至金属光泽，在表面上作着色检测，不得留有微、细裂纹。
3、膨胀节周长为2900cm ，分四等分。二名焊工对称焊，分别对称焊1/2等分，以减少焊接应力。采用氩弧焊单面焊双面成型，焊丝为H0Cr20Ni10Ti 。直径Φ2.5，电流80—100（A ），电压12--14（V ）焊接速度30—65（mm/min）。
4、施焊完毕后，作表面清理和渗透检测。
4、结束语
压力容器制造过程中，违反工艺纪律，危害很大。不执行焊接工艺，施工工序的错误更是“隐形杀手”，隐患深藏，危害不浅。因此，工艺技术人员和施工作业人员都要养成良好的工作素养，在生产施工过程中严格执行工艺纪律。华胜管件膨胀节在制造过程中严格执行ISO9001操作规范。
换热器膨胀节裂纹分析及修复方案
江苏·常州 李政
某压力容器厂为生产尿素的化肥厂承制的DN900×10的一台一分加热器，投用15个月后，发现不锈钢膨胀节（304，δ8）环焊缝熔合线上开裂三处，并有不同程度的蒸气泄漏，遂停车应急修理：在裂纹处采用气刨清根，角向磨光机打磨后，采用氩弧焊焊接修复的方法，短时间内取得了一定效果，但在四个星期后，在同一部件出现了相似的缺陷，共四处裂纹，长度5—15mm 泄漏蒸汽。引起了使用单位和制造单位的高度重视。化肥是当时农业上的紧俏物资，供不应售。每天厂里车水马龙都有汽车排著长队购买，据粗略估计该厂每小时生产化肥24吨，每吨2000元左右，经济损失是可观的，尢为重要的是安全问题。因此曾邀请了有关专家进行过多次论证，总得不到彻底解决。二年内反复出现四次泄漏和现场修复，也只能是头疼医头，脚疼医脚。长期来在领导心里是一块心病，对厂里来讲是严重的安全隐患。2004年初又出现一处800mm 长的裂纹，大量蒸气向外泄漏。应急停产后我们查阅了设计图纸、找来了工艺人员、冷作工、焊工等有关当事人进行分析，最终找到了裂纹产生的原因，并提出切实可行的修复方案，使缺陷得到有效的诊治。经过近三年的运行，设备安全性能良好，完全能满足生产实际的使用要求。
2、裂纹分析
该设备壳程内介质为蒸汽，且在使用中，管程介质没有发生泄漏至壳程的情况。因此，列出了下列主要相关情况进行分析研究：
1． 膨胀节设计的规范性。
2． 追溯材料的确认和焊材的匹配性。
3． 追查焊缝施焊工艺的过程控制。
4． 组装工艺的合理性。
5． 在设备运行中操作工艺的稳定性。
通过调查研究和复核，并查证图纸、相关的质保书及制造记录、。掌握了如下情况：
① 经计算，膨胀节的设计是符合规范要求的。
② 膨胀节的母材和焊材的匹配性是合理的，也得到了确认。 ③ 在追踪焊缝施焊的过程控制中，发现施焊人员私下改变了焊接工艺，为追求焊缝成型美观和工作效率，将DU4型焊接接头的A102，φ3.2, φ4.0焊条内外各二道焊改成了φ4.0焊条内外各一道焊，彻底改变了小电流、快速焊的的工艺要求，过大的焊接参数使用过程产生晶间腐蚀在所难免，长期使用受温差、压力影响产生晶界间的裂纹也是必然的，这对焊缝性能能否符合设计要求就可想而知了。
④ 在设备的组装工艺上，工艺人员提出的要求，是上、下管板与筒节组焊后，换热管才可以与管板焊接。而实际操作中，装配人员陷于“习惯性违章”，将管板与筒节点焊固定后，就将换热管与管板焊接，然后将管板与筒节之间焊接。这个顺序，其实对换热器，尤其是对膨胀 节或管接头的使用寿命影响很大。因为，管板与筒体在施焊中，会产生一个很大的轴向收缩应力。如果将筒体与管板先焊，产生的轴向收缩应力只不过是将两块管板之间的尺寸稍许减小，并不对换热管或管程壳体产生额外的轴向应力；但如果是管板与换热管先焊后，再焊管板与壳体，那么，管板与壳体之间的压缩应力就施加到了换热管上。这时，由于换热管是不能自由伸缩的，那它承受的压应力就将转化为膨胀节常温下的拉伸应力。换句话说，在常温状态下，这个膨胀节已经为错误的组装工艺顺序预支了相当一部分的膨胀量。因此，在实际使用中，原始计算合格的膨胀节就可能产生调节能力不足的现象。
⑤ 经了解的设备现场运行过程中，未发现有违反操作工艺的使用能对膨胀节构成不良影响。
3、结论
根据以上情况，我们认为：由于装配工艺顺序的错误造成实际应力超标，焊接工艺规范执行不力造成焊接接头性能不符合设计要求，这是膨胀节产生裂纹的主要原因。鉴于膨胀节已多处开裂，应力已得到部分释放以及原焊缝性能已不可能满足使用要求的实际情况，我们作出如下修复措施。
4、返修方案
在清除原膨胀节焊缝时发现沿焊缝方向树根状裂纹，决定全焊道返修，具体要求如下：
1、分二次清除原有焊缝，各对称1/2，并使应力得到彻底释放，在膨胀节内壁处，要求贯通，并力求缝隙均匀，坡口角度适当便于施焊。气刨时要注意不得有熔融状的飞溅物射向设备内部，损坏换热管。
2、用角向磨光机将刨口打磨至金属光泽，在表面上作着色检测，不得留有微、细裂纹。
3、膨胀节周长为2900cm ，分四等分。二名焊工对称焊，分别对称焊1/2等分，以减少焊接应力。采用氩弧焊单面焊双面成型，焊丝为H0Cr20Ni10Ti 。直径Φ2.5，电流80—100（A ），电压12--14（V ）焊接速度30—65（mm/min）。
4、施焊完毕后，作表面清理和渗透检测。
4、结束语
压力容器制造过程中，违反工艺纪律，危害很大。不执行焊接工艺，施工工序的错误更是“隐形杀手”，隐患深藏，危害不浅。因此，工艺技术人员和施工作业人员都要养成良好的工作素养，在生产施工过程中严格执行工艺纪律。华胜管件膨胀节在制造过程中严格执行ISO9001操作规范。