合成氨中置鍋爐常見失效原因分析及改進(jìn)措施探討

高源 胡培遠(yuǎn)（陽煤集團(tuán)淄博齊魯?shù)谝换视邢薰荆綎| 淄博 255436）

合成氨中置鍋爐常見失效原因分析及改進(jìn)措施探討

高源 胡培遠(yuǎn)（陽煤集團(tuán)淄博齊魯?shù)谝换视邢薰?，山東 淄博 255436）

氨作為一種重要的化工原料，在化肥、輕工、醫(yī)藥、制冷劑等領(lǐng)域有著極為廣泛的應(yīng)用。合成氨是指在高溫高壓條件下，直接使用氫和氮原料合成氨的工藝，屬于一種無機(jī)化工流程。中置鍋爐是一種廢熱回收裝置，因此也被稱為廢熱鍋爐。筆者從中置鍋爐基本結(jié)構(gòu)及工藝特點(diǎn)入手，就中置鍋爐常見失效問題及成因進(jìn)行了分析和探討，并相應(yīng)提出了幾點(diǎn)改進(jìn)措施，以供相關(guān)單位參考。

合成氨；中置鍋爐；失效原因；改進(jìn)措施；分析

工業(yè)合成氨工藝中，中置鍋爐是一種廢熱回收裝置，故而又被稱為廢熱鍋爐。中置鍋爐主要通過管程吸收氨合成塔產(chǎn)生的混合氣體的熱量，對(duì)殼程中的水進(jìn)行加熱，以達(dá)到廢熱回收的目的。氨合成塔產(chǎn)生的混合氣體主要由N2、H2以及NH3等氣體組成，從氨合成塔出來時(shí)仍處于高溫高壓的狀態(tài)，經(jīng)中置鍋爐回收后，可使合成氣有效降溫，同時(shí)利用余熱產(chǎn)生副產(chǎn)蒸汽。但在實(shí)際應(yīng)用過程中，中置鍋爐失效問題時(shí)有發(fā)生。因此，對(duì)中置鍋爐失效問題及成因進(jìn)行分析，并探討其改進(jìn)措施，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 廢熱鍋爐基本結(jié)構(gòu)及工藝特點(diǎn)分析

（1）廢熱鍋爐基本結(jié)構(gòu)

合成氨廢熱鍋爐結(jié)構(gòu)屬于管殼式結(jié)構(gòu)，通常具有兩種形式，其一是聯(lián)箱式，其二是管箱式。廢熱鍋爐殼體主要由Q345R材質(zhì)制成，列管則主要由OCr18Ni9Ti或10MoWVNb材質(zhì)制成，詳細(xì)結(jié)構(gòu)如下圖所示。

圖一聯(lián)箱式廢熱鍋爐結(jié)構(gòu)示意圖

（2）廢熱鍋爐工藝特點(diǎn)分析

由于廢熱鍋爐管程及殼程通過的介質(zhì)不同，其工藝特點(diǎn)及相關(guān)要求也具有較為明顯的差異。廢熱鍋爐殼程通過的工藝介質(zhì)以軟水和蒸汽為主，工作壓力不得高于2.7MPa，工作溫度不得高于225℃；廢熱鍋爐管程通過的工藝介質(zhì)是N2、H2以及NH3組成的混合氣體，工作壓力不得高于32MPa，工作溫度不得高于375℃。

2 列管裂紋問題成因及控制措施分析

2.1 廢熱鍋爐列管裂紋故障成因分析

廢熱鍋爐列管裂紋問題多發(fā)生于列管設(shè)備彎頭處。如某公司廢熱鍋爐，設(shè)備規(guī)格為φ1400.0mm×14.0mm，有效換熱面積34.0m2，列管使用10MoWVNb材質(zhì)制成，殼程使用Q345R材質(zhì)制成。設(shè)備投用三年時(shí)間內(nèi)，因列管彎頭裂紋導(dǎo)致的嚴(yán)重泄露故障6次，給企業(yè)的生產(chǎn)造成了巨大的不良影響；再如某公司廢熱鍋爐，設(shè)備規(guī)格φ1800.0mm×16.0mm，有效換熱面積108.0m2，列管使用10MoWVNb材質(zhì)制成，殼程使用Q345R材質(zhì)制成。該設(shè)備投入使用不足一年即發(fā)生換熱管泄露失效故障，維修檢查發(fā)現(xiàn)泄漏失效由于列管彎頭裂紋失效導(dǎo)致。

廢熱鍋爐列管裂紋故障成因，主要存在以下幾點(diǎn)可能：一，廢熱鍋爐制造過程中，使用的原始材料存在質(zhì)量問題，包括化學(xué)成分不合格或存在超標(biāo)缺陷等，導(dǎo)致的設(shè)備裂紋；二，設(shè)備使用過程中，受超壓、超溫條件影響，導(dǎo)致列管塑性變形超過列管承受極限導(dǎo)致的裂紋；三，廢熱鍋爐列管彎管處理中，產(chǎn)生的殘余應(yīng)力導(dǎo)致列管彎頭存在細(xì)小缺陷。設(shè)備在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用過程中，受工作應(yīng)力及熱應(yīng)力影響，導(dǎo)致缺陷放大造成裂紋。

2.1.1 制造環(huán)節(jié)中的故障成因排查分析

上述故障實(shí)例中，廢熱鍋爐列管均選用10MoWVNb材質(zhì)制成，這種材料是我國(guó)自主研發(fā)的一種特殊鋼材，具有抗氫腐蝕、耐熱等優(yōu)點(diǎn)，尤其在高壓高溫條件下，具有良好的抗腐蝕性。故障實(shí)例一中的公司在發(fā)現(xiàn)設(shè)備裂紋故障后，及對(duì)故障列管材料進(jìn)行了取樣分析，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，故障列管中的S和P成分存在超標(biāo)缺陷，故而初步判斷故障是由于材料質(zhì)量問題導(dǎo)致的。

2.2.2 設(shè)備應(yīng)用環(huán)節(jié)中的故障排查分析

上述實(shí)例中，兩個(gè)公司發(fā)現(xiàn)設(shè)備失效故障后，均對(duì)中央控制室中保存記錄的廢熱鍋爐工藝運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，但均不存在超壓或超溫現(xiàn)象，可以排除受此影響造成設(shè)備失效的可能。隨后對(duì)設(shè)備中通過的水質(zhì)進(jìn)行了取樣檢查，實(shí)例二中的公司存在水質(zhì)合格率頻繁波動(dòng)的問題，相關(guān)人員又對(duì)故障列管進(jìn)行腐蝕和結(jié)垢檢查，雖然發(fā)現(xiàn)列管表面存在一定的結(jié)垢問題，但程度較為輕微，故而排除水質(zhì)影響的可能。

2.2.3 列管處理故障成因排查分析

上述故障實(shí)例中，廢熱鍋爐列管裂紋故障均發(fā)生于設(shè)備使用不久后，在故障檢查過程中，公司維修人員對(duì)其他未泄露設(shè)備進(jìn)行了滲透檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果顯示，部分正常列管在彎頭處存在微小裂紋。發(fā)現(xiàn)裂紋后公司立即與設(shè)備制造廠家取得了聯(lián)系，聯(lián)合檢查后，判斷設(shè)備裂紋失效故障與換熱管冷彎處理有著直接的聯(lián)系。

2.2 列管裂紋故障控制措施分析

對(duì)于10MoWVNb材質(zhì)制成的列管而言，加強(qiáng)設(shè)備材料質(zhì)量及制造質(zhì)量控制，是避免設(shè)備裂紋失效故障的重要渠道。尤其是換熱管彎頭部位，受冷彎處理工藝影響，彎頭處受到的應(yīng)力最大，也最容易產(chǎn)生裂紋問題。

此外，就奧氏體不銹鋼制成的廢熱鍋爐而言，在水及蒸汽介質(zhì)中，溶氧量和氯離子濃度也是相關(guān)企業(yè)需重點(diǎn)控制的指標(biāo)，如列管表面存在點(diǎn)坑、縫隙等微小缺陷，就會(huì)導(dǎo)致氯離子的堆積，進(jìn)而產(chǎn)生腐蝕裂紋等問題。通常情況下，腐蝕速率與溫度間有著一定的聯(lián)系，溫度越高腐蝕速率越快。此外，在氯離子含量相對(duì)較少的高溫水及熱水環(huán)境中，氧含量的高低也是影響應(yīng)力腐蝕破裂的主要因素，因此，控制降低水介質(zhì)的溶氧量，也可達(dá)到減緩應(yīng)力腐蝕發(fā)展的目的。

3 筒體及封頭等部位裂紋失效故障及控制措施分析

部分廢熱鍋爐筒體裂紋產(chǎn)生于殼程液位以下區(qū)域的環(huán)縫處，且裂紋垂直于焊縫，裂紋形狀多表現(xiàn)為兩頭尖、中間粗，逐漸由焊縫向熱影響區(qū)發(fā)展，也就是典型的應(yīng)力腐蝕裂紋。

有上文介紹可得，廢熱鍋爐殼程壓力承受標(biāo)準(zhǔn)為2.7MPa，依據(jù)無力矩理論分析可得，鍋爐的軸向應(yīng)力應(yīng)是環(huán)向應(yīng)力的二分之一，而焊縫裂紋方向主要垂直于主應(yīng)力方向，逐漸向母材區(qū)發(fā)展，并相應(yīng)產(chǎn)生放射狀的二次裂紋。

廢熱鍋爐筒體裂紋的產(chǎn)生原因，主要分為以下幾種可能：一，設(shè)計(jì)因素影響。通常情況下，筒體裂紋故障與設(shè)備進(jìn)水管的布置設(shè)計(jì)間有著一定的聯(lián)系，如進(jìn)水管口設(shè)計(jì)位置過低，就可能受冷熱介質(zhì)接觸產(chǎn)生的溫度應(yīng)力影響，導(dǎo)致裂縫的產(chǎn)生。因此，在設(shè)備設(shè)計(jì)階段，應(yīng)注意避免過低的進(jìn)水管布置設(shè)計(jì)，同時(shí)避免進(jìn)水管口與設(shè)備焊縫的直對(duì)設(shè)計(jì)；二，設(shè)備制造因素影響。設(shè)備制造質(zhì)量不符合相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，是導(dǎo)致筒體裂紋的主要原因。因此，在設(shè)備制造過程中，除基礎(chǔ)的應(yīng)力消除處理外，還應(yīng)對(duì)設(shè)備進(jìn)行全面的整體應(yīng)力消除熱處理，以避免設(shè)備封頭位置存在應(yīng)力殘余；三，使用因素影響。水質(zhì)對(duì)于鍋爐的使用有著直接的影響，在廢熱鍋爐實(shí)際應(yīng)用過程中，相關(guān)工作人員應(yīng)重點(diǎn)加強(qiáng)水質(zhì)的氯離子濃度和pH值控制，同時(shí)注意設(shè)備結(jié)垢清洗，以控制設(shè)備電化學(xué)腐蝕問題的發(fā)生。

4 結(jié)語

本文從廢熱鍋爐基本結(jié)構(gòu)和使用工藝要求入手，就其常見失效故障進(jìn)行了分析。總的來說，相關(guān)企業(yè)在廢熱鍋爐應(yīng)用過程中，應(yīng)全面加強(qiáng)設(shè)備質(zhì)量控制和水質(zhì)控制，規(guī)范使用操作，以避免失效故障的發(fā)生。

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