合成第一廢熱鍋爐失效分析

王洋，馮殿義，崔天鐳，趙和建，王哲，白露

(1.遼寧工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，遼寧 錦州 121001；2.北方華錦化學(xué)工業(yè)股份有限公司，遼寧 盤錦 124000)

某化肥公司合成工藝采用的是布郎工藝，第一廢熱鍋爐原設(shè)備由西班牙DE LA PENA公司在1992年制造完成，1993年投入運(yùn)行，從2005年以來(lái)該臺(tái)設(shè)備頻繁出現(xiàn)泄漏。

決定進(jìn)口該設(shè)備。第三臺(tái)設(shè)備由意大利某公司于2012年7月制造完成并交付使用，使用僅僅1周時(shí)間就開始泄漏。由于泄漏十分嚴(yán)重，所以緊急將國(guó)產(chǎn)化的那臺(tái)進(jìn)行維修改造后，于2013年6月開始使用，在2014年3月14日，管板與管箱筒體的焊縫出現(xiàn)嚴(yán)重泄漏。

該廠領(lǐng)導(dǎo)及技術(shù)人員經(jīng)過(guò)開會(huì)討論，從設(shè)備的制造周期、費(fèi)用等方面考慮，決定再次進(jìn)行國(guó)產(chǎn)化。在本次國(guó)產(chǎn)化之前，需要對(duì)已經(jīng)損壞的設(shè)備進(jìn)行失效分析，避免同樣的問(wèn)題出現(xiàn)在新設(shè)備上。

1 對(duì)歷史資料的搜集和分析

經(jīng)過(guò)兩周的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查與資料的搜集，進(jìn)行總結(jié)以后發(fā)現(xiàn)，主要出現(xiàn)問(wèn)題的部位有2處：（1）管板和換熱管的角焊縫存在裂紋；（2）管板和管箱的筒體環(huán)縫存在裂紋。

在維修記錄中記載，在維修之前對(duì)出現(xiàn)裂紋的部分進(jìn)行硬度檢測(cè)后發(fā)現(xiàn)，裂紋的部位硬度都比較高，懷疑在制造過(guò)程中熱處理不到位導(dǎo)致的殘余應(yīng)力過(guò)高引起的延遲裂紋。

現(xiàn)場(chǎng)維修的難點(diǎn)在于現(xiàn)場(chǎng)的局部熱處理很難保證溫度。由于設(shè)備的管箱、筒體和管板均為焊接連接，而且厚度大，是一個(gè)整體，金屬的導(dǎo)熱系數(shù)高導(dǎo)致加熱速度比散熱速度低，所以溫度無(wú)法滿足熱處理要求。后經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員攻關(guān)，采取的方式是用保溫氈將設(shè)備整體包住，同時(shí)將熱處理溫度提高以應(yīng)對(duì)散熱快的問(wèn)題。

2 制定檢測(cè)方案并進(jìn)行失效分析

2.1 制定分析方案

針對(duì)以上總結(jié)的問(wèn)題，制定失效分析的方案，首先對(duì)現(xiàn)場(chǎng)存留的損壞的進(jìn)口設(shè)備進(jìn)行有代表性的采樣，通過(guò)宏觀檢測(cè)、微觀金相、硬度檢測(cè)等手段來(lái)分析設(shè)備的失效原因。

2.2 現(xiàn)場(chǎng)取樣

首先繪制的管板布置圖。根據(jù)資料和管板布置圖可見該設(shè)備采用的是布朗工藝包中的伍德-波爾西希型廢熱鍋爐，采用同心圓排布，熱端在中心，冷端在四周。有效地降低了由于溫差大帶來(lái)的熱應(yīng)力不均的問(wèn)題。

我們分別選取了取自鍋爐泄漏區(qū)域，也就是換熱束“熱側(cè)”的3個(gè)管樣，分別是：29BH（無(wú)泄漏管）、30CH（泄漏管，未被封堵）和29CH（泄漏管，已被封堵）。以及對(duì)應(yīng)“冷側(cè)”的29BC、30CC和29CC，用于對(duì)比冷熱兩側(cè)的微觀金相組織，判定是否有脫碳現(xiàn)象。

2.3 宏觀檢查

經(jīng)過(guò)對(duì)取樣的6個(gè)管樣進(jìn)行宏觀的外觀檢查后發(fā)現(xiàn)，在無(wú)泄漏的29BH管樣表面，發(fā)現(xiàn)材料氧化跡象，管樣表面管板和焊縫之間的區(qū)域有沉積物質(zhì)；在泄漏的29CH管樣的焊縫表面上，發(fā)現(xiàn)沉積物跡象；在泄漏的30CH管樣表面，發(fā)現(xiàn)橫穿焊縫的裂紋，在焊縫和母管之間的區(qū)域有沉積物。后續(xù)將會(huì)對(duì)沉積物的組成進(jìn)行分析。樣管細(xì)節(jié)照片見圖1。

圖1 樣管的細(xì)節(jié)照片

2.4 金相檢驗(yàn)

針對(duì)樣品在缺陷部位進(jìn)行著色，確定具體的缺陷位置和走向后分別取樣，對(duì)換熱管與管板的對(duì)接焊縫縱截面與橫截面進(jìn)行金相檢驗(yàn)和對(duì)比分析。由于30CH裂紋比較典型，所以以下由30CH試樣進(jìn)行說(shuō)明。

2.4.1 垂直焊縫方向取樣檢測(cè)

圖2 30CH 管焊縫的橫截面宏觀金相

如圖2中30CH管焊縫的橫截面圖片所示，焊接在內(nèi)孔操作完成。焊縫是由兩條焊道組成，第二條焊道比第一條稍小。通過(guò)圖片可以發(fā)現(xiàn)，焊縫的大部分都在位于管板的一側(cè)，同時(shí)在管外壁OD區(qū)域只有很小面積的熱影響區(qū)。在對(duì)圖中標(biāo)記的部分進(jìn)行微觀金相檢驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)a區(qū)域的微觀金相組織有脫碳現(xiàn)象。c區(qū)域，未受影響的管板材料區(qū)域，微觀組織總體上是由鐵素體-貝氏體構(gòu)成，沒有發(fā)現(xiàn)脫碳現(xiàn)象。

2.4.2 平行焊縫的方向取樣檢測(cè)

30CH管樣進(jìn)行著色檢查以后，在裂紋部位平行焊縫方向在換熱管母材和焊縫分別取樣進(jìn)行微觀金相檢測(cè)，典型金相如圖3。

圖3 焊縫及母材位置金相

通過(guò)觀察30CH管的主裂紋橫截面金相試樣，發(fā)現(xiàn)開裂是晶間裂紋、并且明顯沿著厚度方向延伸。在主裂紋周邊，有多條較細(xì)的向管子內(nèi)壁延伸的晶間裂紋。大部分的細(xì)小裂紋都沒有和主裂紋相連，另外細(xì)紋之間也是相互獨(dú)立的，而且根據(jù)觀察可以推斷即使在該金相試樣沒有覆蓋的其他區(qū)域也有這種特點(diǎn)。焊縫金屬的微觀組織總體比較統(tǒng)一，可以看出是經(jīng)歷了由奧氏體向貝氏體和馬氏體轉(zhuǎn)變的低溫相變，這是典型的低合金鋼在較快冷卻后會(huì)出現(xiàn)的金相特點(diǎn)。該焊縫較短，所以符合冷卻速度快的情況。經(jīng)測(cè)，縫金屬的原奧氏體晶粒直徑大約是50～100um。根據(jù)晶粒大小以及組織狀態(tài)判斷，焊縫和熱影響區(qū)的金屬回火處理不到位。

2.5 對(duì)換熱管以及管板試樣進(jìn)行成分分析（表1）

從表1可以看出管子母材的化學(xué)成分符合SA-213中對(duì)應(yīng)的T22號(hào)鋼材要求和指標(biāo)范圍。管板母材指標(biāo)在指標(biāo)范圍內(nèi)（SA-336 Gr F22 Cl3），但是除C成分外，其含量比標(biāo)準(zhǔn)中的0．15%上限高了0．01%。

焊接接頭的母材為Grade 22鋼材，焊縫金屬包含了大量的填充金屬。焊縫由兩條焊道組成，第一條焊道為自熔焊（未填充金屬），第二條焊道使用了與母材匹配的填充金屬，從表1的結(jié)果來(lái)看，與使用的焊劑成分相吻合。

表1 換熱管、管板母材及焊縫金屬成分分析結(jié)果

經(jīng)過(guò)金屬成分分析結(jié)果來(lái)看，在設(shè)備制造的過(guò)程中使用的材料全部符合設(shè)計(jì)要求。

2.6 使用維氏硬度試驗(yàn)法來(lái)測(cè)定試樣管壁厚度面上的硬度分布

圖4 硬度檢測(cè)位置

30CH管壁橫制面試樣上、沿著厚度方向上的硬度實(shí)驗(yàn)，分別在裂紋邊上、距離裂紋5mm以及距離裂紋9mm處測(cè)試，測(cè)試點(diǎn)如圖4所示。在裂紋邊上測(cè)得的硬度數(shù)據(jù)介于380HV和475HV之間，硬度明顯要高于參考硬度。

3 分析結(jié)果

根據(jù)設(shè)備的運(yùn)行環(huán)境信息和焊縫材料的分析結(jié)果，該設(shè)備在正常的生產(chǎn)狀態(tài)下，承受10MPa左右的氫分壓和380℃的高溫，所以推測(cè)焊縫失效的機(jī)理最有可能是高溫氫腐蝕。經(jīng)過(guò)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)脫碳現(xiàn)象只發(fā)生在換熱管束的“熱側(cè)”，這說(shuō)明在該區(qū)域的管道經(jīng)歷了過(guò)高的氫氣分壓或/和溫度。大部分的開裂是晶間裂紋，并位于管內(nèi)壁較硬的未回火完全的焊縫區(qū)域處。經(jīng)過(guò)硬度檢測(cè)發(fā)現(xiàn)焊縫上有較硬的未回火區(qū)域，這表明焊后熱處理并沒有達(dá)到充足的回火效果，可以推測(cè)殘余應(yīng)力應(yīng)該也高于預(yù)期。

根據(jù)API RP 941標(biāo)準(zhǔn)（API，2008a)中的Nelson(納爾遜）曲線，雖然在10MPa的氫分壓下，2．25CrMo鋼材可以耐高溫氫腐蝕（HTHA)到高達(dá)500℃，但是這種耐腐蝕性僅適用于經(jīng)過(guò)回火處理的母材，并不適用于焊縫或者熱影響區(qū)的金屬。殘余應(yīng)力、高硬度以及更多溶解的游離碳（相對(duì)于合金碳化物沉流)會(huì)使材料更容易遭受高溫氫腐蝕。即使設(shè)備的行環(huán)境指標(biāo)仍然在Nelson（納爾遜）曲線允許的安全范圍內(nèi)，這些因素都可以導(dǎo)致高溫氫腐蝕，所以根據(jù)材料的化學(xué)成分，高硬度的未回火的焊縫金屬、以及相對(duì)較高的殘余應(yīng)力使材料的對(duì)高溫氫腐蝕破壞的敏感性要高于根據(jù)APIRP941標(biāo)準(zhǔn)中Nelson(納爾遜）曲線所預(yù)測(cè)的敏感性。