管壳式蒸汽发生器泄漏原因分析与质量控制

2022-09-12

0 引言

神华某项目2009年7月进行停车检修, 7月15日拆开两台中压蒸汽发生器 (E-204A/B) 管箱, 检查发现E-204A管箱隔板周边发现裂纹, E-204A/B两台蒸汽发生器管束存在多处漏点, 并进行紧急处理。7月底设备制造厂技术人员来到现场, 对设备进行检查。经过分析, 主要存在以下质量问题:

(1) E-204A管箱隔板存在贯穿性裂纹

管箱隔板发现多处贯穿性裂纹, 裂纹主要分布在分程隔板与管箱焊接部位。在隔板中间部位也发现了贯穿性裂纹。

(2) E-204A/B换热管与管板焊接接头存在严重泄漏问题

检修人员于2009年8月2日将E-204A/B管程工艺介质压力升压至2.0MPa, 而壳程未升压。此时对设备壳程再次检测, 发现有工艺气体泄出, 因此, 判断管束泄漏。8月3日检修人员24小时连续作战, 拆开E-204A/B封头, 装上试压法兰, 采用氮气进行壳程气密试验, 管束检测出多处漏点。8月4日检修人员将两台设备卸压, 堵管32根。第二次采用0.8MPa氮气气密试验时, 又发现多处漏点, 再次堵管17根。

为了进一步验证泄漏情况, 8月7日对壳程进行水压试验, 经过检查, 发现泄漏点位于管孔深度80~120mm处 (管板厚度200mm) , 多数位于管孔中间部位, 并可观察到明显的渗水现象。外观检查发现换热管和管板连接处存在明显的裂纹, 主要存在以下问题:

换热管内壁有严重的局部凹坑, 存在明显的裂纹;

换热管内壁有月牙形整圈金属挤压痕迹。

每次进行试验时都会发现新的漏点。泄压后, 再进行堵管, 直到2009年8月8日E-204A堵U形管共25根, E-204B堵U形管共24根。

(3) E-304和E-306A/B泄露情况

由于高压蒸汽发生器 (E-304) 和低压蒸汽发生器 (E-306A/B) 与E-204A/B操作工况相似, 且为同一设备制造厂制造, 因此在2010年3月检修中对E-304和E-306A/B三台换热器进行逐台检查, 同样发现与E-204A/B管束类似的严重质量问题。

对E-304进行与E-204A/B相同的检查时, 发现17根换热管泄漏, 换热管材料15Cr Mo。对E-306A/B管箱检查时发现换热管与管板焊缝共8处泄漏, 换热管材质为10号钢。

1 管壳式蒸汽发生器设计参数

这五台蒸汽发生器按照《钢制压力容器》 (GB150-1998) 、《管壳式换热器》 (GB151-1999) 进行设计和制造, 其设计参数如下:

(1) 103-E-204A/B设计参数壳程设计压力为1.7MPa, 设计温度为250℃, 设备直径为1200mm, 主体材质为16Mn R, 介质为水和蒸汽, 壳程为1程;管程设计压力为4.0MPa, 设计温度为482℃, 设备直径为1200mm, 主体材质为16Mn R, 介质为工艺介质, 管程为2程。换热管材质为0Cr18Ni10Ti, 其规格为Ф19X2X6000 (直管长) , 管板材质为15Cr Mo+堆焊, 管板厚度为200mm。管子和管板连接型式为强度焊+帖胀。换热器型式为BIU, 属于二类压力容器。

(2) 103-E-304设计参数壳程设计压力为4.8MPa, 设计温度为280℃, 设备直径为600mm, 主体材质为16Mn R, 介质为水和蒸汽, 壳程为1程;管程设计压力为3.7MPa, 设计温度为420℃, 设备直径为600mm, 主体材质为15Cr Mo R, 介质为工艺介质, 管程为4程。换热管材质为15Cr Mo, 其规格为Ф19X2.5X6000 (直管长) , 管板材质为15Cr Mo, 管板厚度为110mm。管子和管板连接型式为强度焊+帖胀。换热器型式为BIU, 属于二类压力容器。

(3) 103-E-306A/B设计参数壳程设计压力为0.8MPa, 设计温度为250℃, 设备直径为1700mm, 主体材质为16Mn R, 介质为水和蒸汽, 壳程为1程;管程设计压力为1.58/-0.1MPa, 设计温度为255℃, 设备直径为1700mm, 主体材质为16Mn R, 介质为工艺介质, 管程为4程。换热管材质为16Mn, 其规格为Ф19X2.5X6000 (直管长) , 管板材质为16Mn, 管板厚度为162mm。管子和管板连接型式为强度焊+帖胀。换热器型式为BIU, 属于二类压力容器。

2 泄露原因分析

为了尽快解决蒸汽发生器泄漏问题, 公司召集设计单位和设备制造厂于2010年3月23日在现场召开专题事故分析会。E-204A/B、E-304和E-306A/B均为上海某设备有限公司制造, 经过现场调查分析, 主要存在以下设备质量问题:

(1) 换热管与管板焊接接头存在焊接裂纹、气孔在设备制造过程中, 换热管与管板联接采用先胀后焊工艺, 管接头采用手工氩弧焊, 胀接方式为机械胀接。机械胀接时使用的润滑油渗透进入焊接接头间隙, 而且很难清除干净。然后进行管接头焊接时, 产生焊接裂纹、气孔, 与现场检查结果相吻合。近年来, 国内设备制造厂在换热管与管板胀接多采用液压胀, 可避免上述问题的发生。

(2) 103-E-204A管箱隔板存在贯穿性裂纹管箱隔板发现多处裂纹, 主要是由于焊接质量差, 管箱整体消除应力热处理后, 并未完全消除残余应力。

(3) 设备制造厂对换热管贴胀工艺未进行试胀设备制造厂对胀接采用机械胀工艺, 并且是分两段进行的。机械胀比液压胀工艺对管孔加工精度要求要高得多, 并且机械胀受操作者人为因素影响很大, 尤其是分两段胀接的工艺必然在管孔中间部位两次胀接重合部位产生较大的塑性变形, 严重时会产生过胀, 使部分管壁严重减薄甚至产生微裂纹。试压时, 宏观表现为管孔中间部位发生泄漏。从换热器修复过程中观察到情况来看, 大量泄漏发生在管孔中间部位, 而且在管子内壁可清晰见到过度机械挤压的痕迹, 与该设备制造厂胀接工艺是非常吻合的。

(4) 未经业主同意, 上海某设备有限公司将这五台设备转包给上海浦东某机械厂制造。

(5) 103-E-204A/B随机资料存在涂改痕迹 (1) 管板堆焊层化学分析报告日期有涂改痕迹 (资料编码112) ; (2) 管板铁素体检测报告 (资料编码108) 和复检报告 (资料编码109) 有改动痕迹。

通过分析论证, 各方均认为这五台设备最大的问题在于换热器胀接工艺落后, 未进行试胀, 存在过胀问题, 且换热管与管板焊接接头存在焊接裂纹、气孔。管接头焊接和胀接这两道重要工序在设备制造过程中质量失控是换热器泄漏的主要原因。

3 整改和质量控制措施

为了尽快恢复生产, 神华某公司立即向兰州某知名设备厂紧急采购E-204A管箱和E-204A/B换热管束, 并进行了彻底地更换。在2010年底检修中, 又对E-304和E-306A/B更换新的管束。目前这五台管壳式蒸汽发生器使用状况良好, 未发现泄漏。

经公司相关部门研究并经主管领导批准, 将上海某设备有限公司列入神华供货商的黑名单。为了吸取设备采购中的经验和教训, 公司在设备采购过程中, 逐步建立和完善严格的审批程序, 细化采购合同, 加强设备制造过程中的监检和设备入场检查, 以确保神华项目采购设备的质量, 并不断优化采购程序。为了确保采购设备的质量, 主要采取以下有效措施:

(1) 择优选择供应商在项目建设初期, 对采购的设备进行分类, 通过对压力容器厂商实地考察, 对其压力容器质保体系执行情况、相关资质、设计研发能力、制造装备能力、公司执行力度和信用情况、财务状况以及相关业绩等方面做出综合评价, 制定项目的通用合格供应商名单。

各项目组在EPC招标前, 在项目的通用合格供应商基础上, 开展大量调研工作, 制定各装置设备供应商短名单, 并将此短名单列入EPC合同文件中。通过招、投标, 在短名单中优选供货商。

(2) 签订严谨的设备采购技术协议在设备采购技术协议中, 明确以下内容:适用标准和规范和相关的工程统一规定;明确供货和工作范围;板材、锻件、管材和焊材等主要材料、内件明确可供选择的分供方;明确备品备件的要求;设计、制造和检验要求;交货方式、包装、运输以及其它特殊要求。

在采购技术协议中, 明确制造的设备主体应在卖方的设备制造厂 (可指定地点或车间) 制造, 未经业主批准不得转包或分包。对关键压力容器, 业主组织设计单位、制造单位、监造单位等举行设备制造开工会, 进行设计交底、同时对制造工艺、质量检验计划进行审查。

(3) 加强压力容器设计图纸质量控制为了确保压力容器设计图纸的品质, 对设备图纸进行审查。对于重要的换热器, 设计图纸应明确下列要求:

(1) 对于换热管要求进行100%超声波探伤, 100%进行水压试验; (2) 对换热管和管板焊缝出厂前要求进行氨渗漏检验。

(4) 对关键压力容器进行驻厂监造对于关键压力容器, 由业主、设计院监造人员或委托第三方设备监造单位进行驻厂监造。委托的第三方设备监造单位与神华有长期合作关系, 且业绩良好, 通过招标产生的, 保障监造人员的资质、能力满足设备监造的要求。

项目采购部门负责审核监造方案, 并加大考核力度, 确保监造计划的有效执行。监造人员每周提交监造周报, 汇报设备制造进度、质量信息等。

(5) 实施严格的压力容器入场管理项目采购部组织施工承包商、监理单位对进场设备进行开箱检验, 已确保入场压力容器的质量。

(6) 对压力容器进行第三方检验为弥补压力容器开箱检验的局限性, 确保压力容器质量, 在项目执行过程中, 聘请具有国家质量监督检验检疫总局颁发的第一、二、三类压力容器、球罐检验资质的检验单位进行压力容器第三方检验。检验范围包括:单台独立的压力容器、成套设备中的压力容器、分段或分片进场的压力容器和现场制造的压力容器等。