合成氨中置鍋爐常見(jiàn)失效原因分析及改進(jìn)措施

崔 娟，尤 軒，王際隆

（湖北宜化集團(tuán)化工機(jī)械設(shè)備制造安裝有限公司，湖北宜昌 443007）

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合成氨中置鍋爐常見(jiàn)失效原因分析及改進(jìn)措施

崔 娟，尤 軒，王際隆

（湖北宜化集團(tuán)化工機(jī)械設(shè)備制造安裝有限公司，湖北宜昌 443007）

摘 要：介紹了合成氨生產(chǎn)中置鍋爐結(jié)構(gòu)及工藝特點(diǎn)，針對(duì)在生產(chǎn)過(guò)程中中置鍋爐常見(jiàn)的幾種失效泄漏的問(wèn)題，包括列管出現(xiàn)裂紋，筒體、封頭或列管聯(lián)箱焊縫出現(xiàn)裂紋等，提出了對(duì)應(yīng)改進(jìn)措施。

關(guān)鍵詞：中置鍋爐；失效泄漏；管束；環(huán)焊縫；應(yīng)力腐蝕；裂紋；措施

合成氨中置鍋爐，又稱廢熱鍋爐或廢鍋，是合成氨生產(chǎn)中的一種廢熱回收裝置。主要原理是利用管程中氨合成塔出來(lái)的高溫高壓的H2、N2、NH3等混合氣體加熱殼程中的水，一方面使合成氣降溫分氨，另一方面利用氣體廢熱副產(chǎn)蒸汽。近幾年集團(tuán)公司內(nèi)部中置鍋爐失效泄漏的現(xiàn)象屢見(jiàn)不鮮，本文將結(jié)合中置鍋爐在生產(chǎn)中出現(xiàn)的各種失效原因進(jìn)行分析并提出改進(jìn)措施。

1 中置鍋爐的結(jié)構(gòu)及工藝特點(diǎn)

1.1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

中置鍋爐為管殼式結(jié)構(gòu)，主要有聯(lián)箱式、管箱式兩種，一般情況下殼體材質(zhì)為Q345R，列管材質(zhì)為10MoWVNb或0Cr18Ni9Ti，具體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1、圖2。

圖1 聯(lián)箱式余熱鍋爐

圖2 管箱式余熱鍋爐

1.2 工藝特點(diǎn)

工藝運(yùn)行參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 中置鍋爐工藝運(yùn)行參數(shù)

2 列管出現(xiàn)裂紋

2.1 失效案例

案例1：清江公司2#廢鍋，規(guī)格?1 400 mm× 14 mm，換熱面積34 m2，列管材質(zhì)為10moWVNb，殼程材質(zhì)為Q345R，投用后3年時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)嚴(yán)重泄漏故障6次，主要是列管彎管部位裂紋泄漏。

案例2：泰豐公司2#廢鍋，規(guī)格?1 800 mm× 16 mm，換熱面積為108 m2，列管材質(zhì)為10MoWVNb，殼程材質(zhì)為Q345R，該設(shè)備于2012年5月投用，2013年3月發(fā)現(xiàn)換熱管泄漏，后經(jīng)過(guò)檢查發(fā)現(xiàn)該廢鍋換熱管彎頭處出現(xiàn)裂紋，穿管4根。

2.2 原因分析與控制措施

2個(gè)公司中鍋管束裂紋均發(fā)生在列管彎頭處，其產(chǎn)生的原因可能是：①在制造環(huán)節(jié)中，材料化學(xué)成分不合格或有超標(biāo)缺陷導(dǎo)致裂紋；②在使用過(guò)程中，設(shè)備操作超溫、超壓，超負(fù)荷運(yùn)行導(dǎo)致列管塑性變形開(kāi)裂；或水質(zhì)不合格導(dǎo)致結(jié)垢和電化學(xué)腐蝕；③換熱管在彎管過(guò)程中產(chǎn)生殘余應(yīng)力導(dǎo)致細(xì)小缺陷，投入高工況運(yùn)行后，熱應(yīng)力、工作應(yīng)力綜合誘發(fā)裂紋加劇。

（1）制造環(huán)節(jié)排查。2個(gè)公司中置鍋爐產(chǎn)生裂紋泄漏的管束材質(zhì)均采用10MoWVNb，10MoWVNb鋼是我國(guó)自主開(kāi)發(fā)的特種抗氫腐蝕用珠光體耐熱鋼，其在高溫（250～400℃）、高壓狀態(tài)下具有良好的抗氫、氮、氨腐蝕性能。清江公司在中鍋泄漏后，對(duì)列管進(jìn)行了材料取樣作化學(xué)成分復(fù)驗(yàn)，材料復(fù)驗(yàn)參照GB6479—2000標(biāo)準(zhǔn)（見(jiàn)表2），發(fā)現(xiàn)列管材料化學(xué)成分S、P含量明顯超標(biāo)，基本判定泄漏為列管材料不合格所致。

表2 列管材料化學(xué)成分（參照GB6479—2000）

（2）使用環(huán)節(jié)排查。檢查2個(gè)公司操作控制室自動(dòng)記錄保存的中置鍋爐工藝數(shù)據(jù)，未發(fā)現(xiàn)超溫、超壓現(xiàn)象，排除超載運(yùn)行的影響。通過(guò)對(duì)合成車間提供的水質(zhì)分析報(bào)告來(lái)看，清江公司水質(zhì)合格率高且較為穩(wěn)定，泰豐公司水質(zhì)合格率波動(dòng)頻繁。通過(guò)對(duì)管束拆檢發(fā)現(xiàn)，泄漏彎管部位厚度均未見(jiàn)減薄，但是泰豐公司列管內(nèi)表面存在輕微結(jié)垢現(xiàn)象，影響不大，亦排除水質(zhì)影響。

（3）2個(gè)公司中鍋均是在投用不足1年的時(shí)間內(nèi)發(fā)生泄漏，泰豐公司對(duì)其余未泄漏的列管進(jìn)行滲透檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)部分列管彎管部位存在微小裂紋，經(jīng)與設(shè)備制造廠家現(xiàn)場(chǎng)討論分析認(rèn)為，換熱管在制造過(guò)程中冷彎時(shí)，彎管質(zhì)量控制不嚴(yán)存在細(xì)小缺陷。通過(guò)應(yīng)力計(jì)算表明，中置鍋爐列管最大應(yīng)力位于上部彎管處外壁，整個(gè)管束兩端彎管處（突變處）應(yīng)力集中較大，由于殘余應(yīng)力、溫差引起的熱應(yīng)力及管內(nèi)壓（32.0 MPa（g））的工作應(yīng)力，使管周向和軸向均存在較大的拉應(yīng)力，同時(shí)，由于管束的不連續(xù)性，使管兩端彎頭處應(yīng)力最大，故裂紋最容易發(fā)生在彎頭部位。

對(duì)于10MoWVNb這種珠光體耐熱鋼管束，列管在制造過(guò)程中冷彎時(shí)容易存在缺陷導(dǎo)致彎管部位裂紋，所以在使用時(shí)要著重控制入口，保證材質(zhì)合格及制造質(zhì)量合格。

另外，對(duì)于奧氏體不銹鋼管束的廢鍋，在水和蒸汽介質(zhì)中，氯離子濃度和溶氧量也是引起應(yīng)力腐蝕導(dǎo)致管束破裂的重要因素，若管表面存在微小缺陷，如小縫隙、點(diǎn)坑、重皮、劃傷等，使Cl-聚積于此，如Cl-濃度＞25 mg/L，容易產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕的裂紋源，通常溫度愈高，愈容易產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕破裂。由于液位的波動(dòng)，使上部列管上層管子經(jīng)常處于交替浸泡和干燒，在液位低于最上層管子時(shí)，殘留在管表面的水在300℃以上的高溫下迅速汽化，使其表面的氯離子濃度得到濃縮而升高，不斷聚集于管表面微小縫隙中。液位的不斷波動(dòng)，使這一過(guò)程不停地進(jìn)行循環(huán)，從而在管應(yīng)力腐蝕敏感部位產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕裂紋，如應(yīng)力較高的彎管處、最上層列管溫度敏感處等，裂紋的擴(kuò)展最終導(dǎo)致破裂。對(duì)于含微量氯離子的熱水和高溫水而言，氧的存在是產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕破裂的重要條件，一般來(lái)說(shuō)，降低水中的溶氧量，可以抑制應(yīng)力腐蝕裂紋的發(fā)生與擴(kuò)展。在使用過(guò)程中，應(yīng)嚴(yán)格控制水質(zhì)，保證水質(zhì)合格。

2.3 筒體、封頭或列管聯(lián)箱焊縫出現(xiàn)裂紋

2.3.1 失效案例

案例3：重慶索特公司1#廢鍋，規(guī)格?2400 mm× 26 mm，換熱面積為160 m2，列管材質(zhì)為10MoWVNb，殼程材質(zhì)為16MnR，2011年10月投用。投用之后1年時(shí)間里筒體焊縫先后出現(xiàn)3次裂紋。于2012 年5月檢修時(shí)對(duì)中鍋筒體拆除并入內(nèi)檢查，肉眼可見(jiàn)鍋爐進(jìn)水管附近筒體底部焊縫上呈現(xiàn)多處垂直于焊縫的密集裂紋，裂紋在焊縫上以橫向裂紋為主，底部密集的裂紋已經(jīng)從焊縫上延伸到筒體母材上，到母材上呈不規(guī)則形式，裂紋距離焊縫最遠(yuǎn)約20 mm。鍋爐筒體縱焊縫裂紋見(jiàn)圖3。

案例4：楚星公司4#廢鍋，投用4個(gè)月后筒體環(huán)焊縫內(nèi)表面出現(xiàn)多處垂直于焊縫方向的裂紋（見(jiàn)圖4、圖5），更換筒體2個(gè)月后又出現(xiàn)類似狀況。筒體材質(zhì)為Q345R，通過(guò)對(duì)筒體焊縫母材區(qū)和焊縫區(qū)取樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，發(fā)現(xiàn)均符合 GB713—2008《鍋爐和壓力容器用鋼板》規(guī)定。

圖3 鍋爐筒體縱焊縫裂紋

圖4 鍋爐筒體環(huán)焊縫位置

圖5 鍋爐筒體環(huán)焊縫裂紋

2.3.2 原因分析與控制措施

案例3、案例4中鍋爐殼程內(nèi)部在液位以下的環(huán)縫上均產(chǎn)生了大量垂直于焊縫的裂紋，裂紋中間粗、兩頭尖，斷續(xù)地從焊縫延伸到熱影響區(qū)，最深裂紋位于筒體底部，屬典型的應(yīng)力腐蝕裂紋。

中置鍋爐殼程壓力2.7 MPa（g），根據(jù)無(wú)力矩理論可知，筒體的環(huán)向應(yīng)力為軸向應(yīng)力的2倍，焊縫裂紋呈直線垂直于主應(yīng)力方向，并向母材區(qū)擴(kuò)展，衍生出大量放射狀二次裂紋。在焊縫金屬中裂紋由內(nèi)表面不斷向外表面擴(kuò)展，最終貫穿壁厚方向形成穿透型的裂紋。產(chǎn)生筒體裂紋的主要原因有3個(gè)方面。

（1）設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)。重慶索特公司中鍋的焊縫裂紋出現(xiàn)在底部焊縫，尤其是進(jìn)水管開(kāi)孔的地方最密集，說(shuō)明進(jìn)水管道的布置和朝向?qū)α鸭y的產(chǎn)生有密切的關(guān)系。此臺(tái)設(shè)備進(jìn)水管道安裝在筒體底部，進(jìn)水孔朝下，進(jìn)水溫度90℃，蒸汽溫度240℃，冷熱介質(zhì)交匯產(chǎn)生的溫差應(yīng)力交變循環(huán)載荷作用對(duì)底部筒體焊縫產(chǎn)生溫差應(yīng)力，導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生。在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意避免中鍋進(jìn)水管位置太低，同時(shí)避免進(jìn)水管孔直對(duì)焊縫，盡量使進(jìn)水孔朝斜上方對(duì)管程的空檔處。

（2）制造環(huán)節(jié)。重慶索特公司出現(xiàn)焊縫裂紋后，經(jīng)過(guò)前往廠家制造現(xiàn)場(chǎng)檢查和對(duì)質(zhì)保資料進(jìn)行審核，發(fā)現(xiàn)鍋爐在出廠前只進(jìn)行了單個(gè)筒節(jié)的消除應(yīng)力處理，未對(duì)設(shè)備進(jìn)行整體消除應(yīng)力熱處理，導(dǎo)致筒節(jié)與封頭環(huán)縫處存在較大的焊接殘余應(yīng)力，投入運(yùn)行后在機(jī)械應(yīng)力、熱應(yīng)力的綜合作用下產(chǎn)生裂紋。故在制造過(guò)程中須注意應(yīng)對(duì)設(shè)備進(jìn)行整體消除應(yīng)力熱處理。

（3）使用環(huán)節(jié)。楚星公司中鍋焊縫裂紋集中于氣液分界線附近，裂紋形態(tài)呈放射狀，從焊縫向母材延伸擴(kuò)展，焊縫附近存在明顯的坑蝕，發(fā)生了嚴(yán)重的電化學(xué)腐蝕。經(jīng)過(guò)對(duì)鍋爐給水水質(zhì)分析，發(fā)現(xiàn)水質(zhì)未能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，主要是水質(zhì)堿性濃度偏高，加之200℃左右的蒸汽溫度，為腐蝕提供了環(huán)境和溫度。另外裂紋靠近液面附近，隨著鍋爐中的水不斷蒸發(fā)，水中的Cl-濃度不斷升高，在筒體環(huán)焊縫附近容易發(fā)生應(yīng)力腐蝕。故在機(jī)械應(yīng)力、熱應(yīng)力，焊縫殘余應(yīng)力和電化學(xué)腐蝕的共同作用下導(dǎo)致裂紋形成。在使用過(guò)程中應(yīng)加強(qiáng)水質(zhì)管理，減少結(jié)垢，緩解電化學(xué)腐蝕的發(fā)生，同時(shí)定時(shí)排污。

3 結(jié)語(yǔ)

中置鍋爐失效的形式主要有列管部位裂紋、鍋爐殼程筒體焊縫裂紋，前者主要因彎頭薄弱部分存在缺陷，或者水中氯離子超標(biāo)應(yīng)力腐蝕，后者屬于焊接殘余應(yīng)力較高下的應(yīng)力腐蝕，設(shè)計(jì)、制作、使用各環(huán)節(jié)應(yīng)分別加以控制，以確保中置鍋爐使用安全。

（1）在設(shè)計(jì)時(shí)，換熱管應(yīng)盡量選用10MoWVNb，同時(shí)應(yīng)注意避免中鍋進(jìn)水管位置太低，避免進(jìn)水管孔直對(duì)焊縫，盡量使進(jìn)水孔朝斜上方對(duì)管程的空處。

（2）在制造過(guò)程中，應(yīng)嚴(yán)格保證管束材質(zhì)及彎管質(zhì)量合格，同時(shí)嚴(yán)格控制焊接工藝質(zhì)量及整體熱處理，消除熱應(yīng)力。

（3）使用過(guò)程中嚴(yán)格控制鍋爐給水水質(zhì)，定時(shí)分析，按時(shí)排污，減少結(jié)垢，減緩電化學(xué)腐蝕的發(fā)生。

參考文獻(xiàn)：

［1］TSG R0004—2009，固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程［S］.

［2］GB150—1998，鋼制壓力容器［S］.

［3］GB713—2008，鍋爐和壓力容器用鋼板［S］.

doi：10.3969/j.issn.1004-8901.2016.03.017 10.3969/j.issn.1004-8901.2016.03.017

中圖分類號(hào)：TK228

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1004-8901（2016）03-0059-03

作者簡(jiǎn)介：崔娟（1982年-），女，湖北宜昌人，2005年畢業(yè)于武漢工程大學(xué)過(guò)程裝備與控制工程專業(yè)，工程師，現(xiàn)主要從事化工機(jī)械設(shè)計(jì)等工作。

收稿日期：2016-01-25

Common Failure Causes Analysis and Improvement Measures of Intermediate Boiler of Ammonia Plant

CUI Juan，YOU Xuan，WANG Ji-long
（Hubei Yihua Group Chemical Equipment Manufacture and Installation Co.，Ltd.，Yichang Hubei 443007 China）

Abstract：This paper introduces the structure and process features of intermediate boiler of ammonia plant and presents corresponding improvement measures for the several common failure issues of intermediate boiler as tube crack，body，head or pipe header weld joint cracks etc.

Keywords：intermediate boiler；failure leakage；pipe bundle；girth weld；stress corrosion；crack