油漿蒸汽發(fā)生器泄漏失效分析

摘 要：利用失效分析的方法，對(duì)重油催化油漿蒸汽發(fā)生器管板開裂現(xiàn)象進(jìn)行了管板化學(xué)成分、宏觀、微觀斷口形貌及裂口腐蝕產(chǎn)物分析。得出疲勞和應(yīng)力腐蝕共同作用引起重催油漿蒸汽發(fā)生器管板的開裂，并提出改進(jìn)措施。

關(guān)鍵詞：油漿蒸汽發(fā)生器；管板開裂；應(yīng)力腐蝕

某公司重油催化裝置4臺(tái)油漿蒸汽發(fā)生器于2013年8月投入運(yùn)行。換熱器型號(hào)為BJS1600-4.32/5.4-678-7.5/32-6I，殼程材質(zhì)為Q345R，管板材質(zhì)為16MnⅥ，管子材質(zhì)為10號(hào)鋼；殼程介質(zhì)為飽和蒸汽和水，其操作壓力為4.6MPa，操作溫度為259℃；管程介質(zhì)為油漿，其操作壓力為1.0Mpa，操作溫度為321℃。2013年10月?lián)Q熱器相繼出現(xiàn)管束管頭焊縫開裂，2014年5月更換后換熱器管束再次出現(xiàn)管束管頭開裂現(xiàn)象。

油漿蒸汽發(fā)生器是催化裂化裝置中的關(guān)鍵節(jié)能設(shè)備，其管板開裂導(dǎo)致蒸汽泄漏到油漿之中，造成了生產(chǎn)的大幅度波動(dòng)。因此，對(duì)油漿蒸汽發(fā)生器管板開裂原因進(jìn)行分析并提出有效的預(yù)防措施是很有必要的。

1 試驗(yàn)與分析

1.1 管板化學(xué)成分分析

對(duì)管板及管子截取化學(xué)成分分析試樣，分析結(jié)果見表1。管板及管子材質(zhì)的各元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)均在國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)值內(nèi)。

表1 管板及管子化學(xué)成分分析（Wt%）

1.2 宏觀斷口形貌分析

分別對(duì)換熱器固定管板和浮動(dòng)管板的管程側(cè)表面進(jìn)行表面PT檢查，檢查發(fā)現(xiàn)固定管板上的裂紋主要集中在Ⅳ程出口和Ⅴ程入口，浮動(dòng)管板上的裂紋主要集中在Ⅲ程出口和Ⅳ程入口，出現(xiàn)裂紋的部位相對(duì)集中于管程的邊緣處。

油漿蒸汽發(fā)生器不帶角焊縫裂紋局部的宏觀形貌如圖1所示。油漿蒸汽發(fā)生器帶角焊縫裂紋局部的宏觀形貌如圖2所示。裂紋斷裂面的宏觀形貌如圖3所示。

從圖1可以看出，裂紋分布于管橋、管板和換熱管板孔內(nèi)。圖2中裂紋大多數(shù)位于角焊縫上，也有穿過角焊縫在管橋上的，角焊縫上的裂紋既有徑向，也有環(huán)向。

從圖3中可觀察到斷口腐蝕較嚴(yán)重，斷裂面較平整，表現(xiàn)出脆性開裂特征。

圖3 裂紋斷裂面宏觀形貌

1.3 微觀斷口形貌分析

對(duì)管橋裂紋斷口用掃描電鏡進(jìn)行微觀分析，由于斷裂面腐蝕嚴(yán)重，只能在裂紋尖端附近局部區(qū)域觀察到裂紋，主要為解理脆性開裂（見圖4）。

圖4 管橋裂紋斷裂面微觀形態(tài)

選取管橋裂紋垂直截面進(jìn)行金相分析（見圖5），裂紋由焊縫處啟裂，穿過熱影響區(qū)已進(jìn)入管板母材。裂紋的微觀形貌以穿晶擴(kuò)展為主，局部有沿晶特征。

分析發(fā)現(xiàn)裂紋的斷裂面主要啟裂于角焊縫處，開裂主要是從管板的焊縫處啟裂，即管程側(cè)開裂，但也有從殼程側(cè)啟裂的。由于裂紋為樹枝狀，且裂紋末端十分尖銳。因此，應(yīng)力腐蝕是管板開裂的重要原因。

圖5 管橋裂紋微觀形態(tài)

1.4 裂紋斷口腐蝕產(chǎn)物分析

用X射線能譜儀對(duì)裂紋斷口進(jìn)行腐蝕產(chǎn)物分析，分析結(jié)果見表2。分析結(jié)果表明，斷口上有鈉、氧、硫等腐蝕性元素，其中在每個(gè)分析面上均有O和Na的存在

表2 裂紋斷口主要元素分析（w%）

2 開裂原因

從分析結(jié)果可見，管板開裂既有從管程側(cè)啟裂的也有從殼程側(cè)啟裂的。導(dǎo)致管板開裂的原因總結(jié)起來主要有以下幾個(gè)方面：

（1）由殼程介質(zhì)（脫氧水）引起的堿應(yīng)力腐蝕開裂。此種開裂均由殼程側(cè)管板與管子連接角焊縫根部啟裂。由于殼程介質(zhì)是蒸汽與水的混合物。氣-液兩相流是非理想化上的橫向流動(dòng)的流型。不穩(wěn)定的流動(dòng)將會(huì)誘發(fā)振動(dòng)導(dǎo)致管子從管孔中松脫，使得管子與管板間產(chǎn)生了縫隙，殼程介質(zhì)（脫氧水）滲入縫隙中，運(yùn)行過程中縫隙中的堿濃度不斷濃縮升高，導(dǎo)致焊縫根部在高溫堿環(huán)境下發(fā)生堿應(yīng)力腐蝕開裂并不斷擴(kuò)展，直至穿透引起泄漏。造成管子與管板貼合不良的原因是由于脹管質(zhì)量欠佳。

（2）由于蒸汽發(fā)生器中氣泡破裂產(chǎn)生的爆破力和蒸汽流動(dòng)對(duì)管束造成循環(huán)交變載荷誘發(fā)振動(dòng)。在管束與管板應(yīng)力集中處易產(chǎn)生疲勞微裂紋。泄漏的油漿進(jìn)入微裂紋產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕開裂。管板在疲勞微裂紋處和應(yīng)力集中處，在管板的溫差應(yīng)力、氣泡的爆破力、焊接殘余應(yīng)力、流體誘發(fā)的振動(dòng)相互疊加的作用下，在高溫重油硫化氫腐蝕環(huán)境下發(fā)生應(yīng)力腐蝕。

（3）油漿蒸汽發(fā)生器是在疲勞破壞和應(yīng)力腐蝕的雙重作用下發(fā)生失效的。管子的振動(dòng)，溫差應(yīng)力等促進(jìn)了疲勞，疲勞加速了應(yīng)力腐蝕開裂，使得管子快速開裂引起失效。

3 改進(jìn)措施

針對(duì)管板開裂的原因，提出以下三點(diǎn)改進(jìn)措施：減小換熱管無支撐跨距，增加換熱管許用壓縮應(yīng)力；換熱管與管板的連接結(jié)構(gòu)從強(qiáng)度焊+貼脹更改為強(qiáng)度焊+強(qiáng)度脹，阻止腐蝕介質(zhì)進(jìn)入管板與換熱管連接處；提高工藝操作穩(wěn)定性，避免劇烈溫度波動(dòng)，防止管束振動(dòng)。

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作者簡(jiǎn)介：張一帆（1988-），男，安徽省安慶市人，工作單位：中國(guó)石油化工股份有限公司安慶分公司，職務(wù)：助理工程師，研究方向：石油化工設(shè)備管理。