石化裝置小口徑接管及接管角焊縫隱患分析及管理措施

趙閣，李朝暉，郭廣飛，賈丙中，唐志

（合肥通用機械研究院有限公司，安徽 合肥 230031）

接管是石化裝置壓力容器、壓力管道中常見的結構形式之一。小口徑接管（以下簡稱小接管）指設備和管線上的引壓管、儀表設備接管、排凝管、排空管、采樣口、低排閥接管、熱電偶套管等，通常處于設備或管道接管的第一道閥門內側，具有徑小、壁薄的特點。同時，接管角焊縫區域由于其幾何形狀不連續及結構參數變化大，較縱環對接焊縫更易產生未焊透、條狀夾渣等焊接缺陷，是壓力容器、壓力管道制造安裝中的薄弱環節，易發生腐蝕、開裂、泄漏等問題。

1 小接管常見隱患及原因分析

1．1 腐蝕

案例1：某蠟油加氫裝置中壓蒸汽管線排凝管，規格DN20×3mm，材質為20#，2019年定期檢驗發現該小接管存在腐蝕減薄且有局部變形，如圖1所示。

小接管內部腐蝕主要是由于設備或管道內部介質腐蝕造成。小接管與設備或管道本體處于同一腐蝕性介質環境，雖然小接管內部介質流通量較少，但由于其位于介質腐蝕性盲端，更易產生腐蝕性介質聚集，發生內部腐蝕。

小接管外腐蝕通常是由于接管附近有設備或管道的保溫層破損，使得雨水或外部水汽滲入保溫層內，小接管根部通常位于蒸發前水汽自然匯集的部位，更易發生保溫層下腐蝕，尤其是當金屬溫度處于100～121℃范圍內，水分難以快速蒸發，易發生嚴重腐蝕。

圖1 排凝管腐蝕減薄

圖2 排凝管泄漏

1．2 泄漏

案例2：某PTA裝置吸附水管線排凝管，規格DN20×3mm，材質為304，2019年定期檢驗發現該接管角焊縫發生泄漏，如圖2所示。

由于內部介質吸附水中夾帶有少量固體PTA粉，使得該管道本體及接管區域均受到不同程度的沖刷損傷。此外，于檢驗前期交底過程中發現，該小接管所在管道本體在運行過程中存在一定程度的振動。當接管與系統附件等相連形成懸臂結構時，振動等動態載荷及外加力矩會在接管根部產生較大的疲勞應力，當接管區域減薄時，將使接管區域優先于管道本體發生開裂或泄漏。

1．3 裂紋

案例3：某加氫裝置熱高壓分離器，筒體基材為12Cr2Mo1R，堆焊層材質為TP.309L+TP.347，介質為反應產物、硫化氫、氫氣，2019年定期檢驗發現其內壁儀表連通管口角焊縫存在表面裂紋，如圖3所示。

接管部位因結構變化劇烈而形成高應變區，并導致應力集中。接管區域主要有三大特點：局部高峰值應變，高應變梯度，周圍受到廣大的彈性區包圍（約束）。在運行過程中，原料氫可能會帶入少量Cl-，停車檢修過程中，檢修用清洗液中也有可能含有少量Cl-，當Cl-和硫化氫共存時，易誘發接管角焊縫區域產生應力腐蝕開裂。另外，在一定條件下，當介質中含水液，或形成連多硫酸，或材料中含有不穩定馬氏體組織時，硫化氫也能誘發18-8型奧氏體不銹鋼構件陽極溶解型與陰極氫脆型應力腐蝕開裂，對起始于焊接區外表面的裂紋，在裂紋穿透壁厚前，可打磨消除或再輔以補焊。對穿透壁厚的裂紋或起始于內壁的裂紋，補焊前應仔細清除內壁物料。

圖3 熱高分內壁接管角焊縫裂紋

圖4 換熱器封頭排液 孔角焊縫未焊透

1．4 未焊透

案例4：某換熱器封頭排液孔，封頭材質為Q345R，管程介質為分餾塔進料，2019年定期檢驗發現其排液孔角焊縫存在未焊透，如圖4所示。

目前，設備或管道與小接管的連接方式仍是以插入式為主的角焊縫連接，接管角焊縫的結構和焊縫形式增加了無損檢測的難度和工藝復雜性。焊接施工過程中產生的未焊透很難被科學地檢測出并進行有效的返修。焊接接頭的未焊透對結構影響較大，其危害之一是減少了焊縫的有效面積，使得焊接接頭強度下降，其次，未焊透引起的應力集中比強度下降更危險，會嚴重降低焊縫的疲勞強度，可能成為裂紋源。對于某些應用高強度、再熱裂紋敏感性高的材料且拘束度大的容器而言，其接管部位更容易成為危險源。

在接管焊接過程中，造成未焊透的原因可能有開孔不規則、組對間隙不合理、焊接位置不當、焊接電流小導致熔深淺以及磁偏吹等。研究表明，焊接間隙過小或過大是影響接管角焊縫是否焊透的主要原因。

2 小接管改進管理措施

2．1 設計選材

設計選材和制造決定了小接管的初始質量，是保證小接管投用后能夠安全運行的首要環節。大量案例表明，接管壁厚或強度與主體設備或管道的不匹配是造成小接管失效的主要原因之一。當小接管作為底部排凝時，介質和環境的腐蝕能夠很快將接管的腐蝕裕量消耗殆盡。因此，在設計階段，應以小接管的設計強度和腐蝕裕量為切入點，科學地確定小接管的壁厚，提高小接管與本體設備或管道之間的匹配度。

針對設備或管道存在振動等交變載荷的情況，接管部位應進行設計優化，防止疲勞裂紋的產生，很多疲勞斷裂失效案例是由接管部位的裂紋逐漸擴展而引起整個結構破壞的。如采用加強支撐和減振設備的方式以消除或降低振動，在小接管上安裝支撐板和加強筋板，采用接管、法蘭、筋板一體的立式筋板抗疲勞結構，取消不必要的接管和檢測設備等。

管道設計中應合理選用支管座、半管接頭等整體補強的支管連接管件。對于加氫裝置等高壓部分的管道小接管，加強管接頭宜設計為對接結構代替承插焊結構，避免腐蝕性介質在接管與承插焊接頭之間的縫隙內聚集。

2．2 制造防腐

小接管在運行過程中承受介質壓力、溫差應力及管道附件重力等外力，且不可避免地將力和力矩傳遞到接管角焊縫上，過大的外載荷使結構處于不安定狀態，容易產生裂紋，導致失效。因此，應重視接管角焊縫的焊接質量控制和后續防腐質量控制。

在現場安裝過程中，小接管的連接方式通常是承插角焊縫的形式，因此多采用手工焊接，其焊接質量受人工影響較大，且在焊接結束后通常只進行表面無損檢測，焊縫內部質量得不到科學的保障。其次，管道開口大多采用火焰開孔，且不進行后續機加工，易導致開孔不規則和組對間隙不均勻，從而形成未焊透。為保證接管角焊縫的焊接質量，應將接管焊接定為重要質量控制點，通過選用合格的焊工進行焊接、開孔后進行機械加工、合理控制組對間隙等方式保證焊縫質量。

對于有外部防腐保溫的小接管，應嚴格控制其根部位置的防腐措施，避免因為其位置原因等外部因素導致其防腐質量下降。為防止應力腐蝕裂紋，外保溫材料不應含有氯化物，且避免被水液浸濕。同時，應嚴格控制所有保溫鐵皮搭接嚴密，防止雨水或外部水汽滲入導致外腐蝕。

2．3 檢驗檢測

在日常檢查過程中，應通過宏觀檢查、錘擊等方式檢查小接管及其接管角焊縫的性能。在年度檢查和定期檢驗過程中，應嚴格按照《TSG D7005-2018 壓力管道定期檢驗規則——工業管道》的要求，對支管連接部位測厚，對支管角焊縫等部位進行外表面無損檢測抽查。

對高溫、高壓等關鍵部位及關鍵設備的接管區域，應采用專業檢測方法和檢測標準對接管角焊縫區域進行檢測。依托“八五”國家重點科技攻關課題“在役鍋爐壓力容器安全評估與爆炸預防技術研究”，合肥通用機械研究院提出了在役壓力容器接管角焊縫高應變區安全評估指導性方法，研究并研制了在役壓力容器接管角焊縫超聲波自動檢測技術及設備，達到了國際先進水平。在檢驗過程中，發現存在缺陷時，合理選用失效評定圖（FAD）技術等安全性能評價技術，對缺陷進行辨識，按照“合于使用”的原則，對缺陷進行處理，保證安全的同時，盡量減少經濟損失。

2．4 使用管理

除了在設計選材、制造防腐、檢驗檢測等方面加強安全管理外，使用過程中的管理同等重要。通過系統、及時的日常檢查維護，能夠有效提高設備隱患發現的及時性和主動性，提前消除生產隱患和設備運行風險，為裝置安全、平穩、長周期運行提供保障。首先，應提高對小接管質量問題的重視程度，將小接管的檢查維護納入設備維護管理要求中，加大管理力度。其次，應按照風險等級將小接管進行分類管理，建立管理臺賬，對設備及管線上的引壓管、儀表設備接管、排凝管、放空管等開展定期專項排查，實行預知管理，識別風險，消除隱患。工藝人員根據小接管的內部介質環境，科學制定分類管理計劃及檢驗檢測計劃，形成有效的全過程、全方位管理機制，確保小接管安全。

3 結語

石化裝置小接管及接管角焊縫主要存在腐蝕、泄漏、裂紋、未焊透等安全隱患。其損傷模式主要有介質腐蝕、疲勞開裂、應力腐蝕開裂等，與介質環境、運行環境和原始焊接缺陷相關。通過在設計選材、制造防腐、檢驗檢測和使用管理等方面加強安全管理，能夠有效保證小接管及其接管角焊縫的安全性能，保障裝置安全長周期運行。