撓性薄管板廢熱鍋爐管板沖蝕失效分析及修復(fù)

張志強(qiáng)， 林廣周， 朱瑞松

(中國石化 揚(yáng)子石油化工有限公司， 江蘇 南京 210048)

廢熱鍋爐指利用工業(yè)過程中的余熱產(chǎn)生蒸汽的鍋爐，是化工生產(chǎn)過程中的重要設(shè)備。臥式撓性薄管板廢熱鍋爐是目前公認(rèn)的穩(wěn)定性和可靠性最高的廢熱鍋爐之一，在甲烷化、制氫、合成氨及甲醇等化工生產(chǎn)過程中優(yōu)先選用已逐漸成為共識(shí)。內(nèi)孔焊目前被廣泛應(yīng)用于電站、石油和化工等行業(yè)的設(shè)備制造中[1]，傳統(tǒng)廢熱鍋爐管束與管板端面焊接的實(shí)踐表明，采用內(nèi)孔焊能夠很好地解決管束與管板接頭的應(yīng)力腐蝕開裂問題，延長設(shè)備壽命。徐君臣[2]、張福林[3]對撓性薄管板的設(shè)計(jì)計(jì)算方法進(jìn)行了研究，SH/T 3158—2009《石油化工管殼式余熱鍋爐》[4]中也增加了撓性薄管板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)內(nèi)容。河南能源化工集團(tuán)中原大化公司合成氨裝置撓性薄管板廢熱鍋爐曾出現(xiàn)過管板裂紋、管束泄漏現(xiàn)象[5]，齊波等[6]、尹旭濤等[7]對撓性薄管板廢熱鍋爐的安裝及操作常見問題進(jìn)行了分析，但對同類型廢熱鍋爐管板沖蝕減薄泄漏的問題未見報(bào)道，國內(nèi)也沒有可借鑒的修復(fù)案例。

本文對中石化某單位一氧化碳裝置中的內(nèi)孔焊撓性薄管板廢熱鍋爐EA15210管板的沖蝕失效原因進(jìn)行分析，并提出了具體修復(fù)方法。

1 廢熱鍋爐簡介

轉(zhuǎn)化爐出口廢熱鍋爐EA15210由德國ALSTOM公司設(shè)計(jì)制造，臥式結(jié)構(gòu)，用于工藝氣熱量回收并產(chǎn)生4.2 MPa過熱蒸汽。廢熱鍋爐采用的是薄管板設(shè)計(jì)，避免了大型固定管板熱交換器管束熱膨脹的問題。在管箱入口側(cè)，薄管板上設(shè)有含剛玉的高溫耐火防護(hù)層，換熱管入口段裝設(shè)陶瓷保護(hù)套管[8]，可防止高溫介質(zhì)變換氣的沖蝕，很好地解決了耐火防護(hù)層與換熱管熱膨脹不一致造成澆筑層脫落的問題。廢熱鍋爐的管束與管板采用全自動(dòng)內(nèi)孔焊，廢熱鍋爐尺寸為1 550 mm×12 885 mm×34 mm(外徑×長度×壁厚)。換熱管呈正三角排列，尺寸為?38 mm×3.2 mm×7 300 mm，中心距50 mm，共582根。管板厚度30 mm，管束換熱面積493.3 m2，廢熱鍋爐總重41.7 t。進(jìn)、出接口均采用對焊連接，鍋爐水四進(jìn)四出，提升管尺寸為?406.4 mm×21.44 mm，管板襯里厚度100 mm，封頭內(nèi)襯里厚度195 mm。EA15210廢熱鍋爐部分工藝參數(shù)見表1，管程工藝氣組成見表2。

表2 廢熱鍋爐管程工藝氣組成 %

2 廢熱鍋爐故障情況

裝置運(yùn)行過程中發(fā)現(xiàn)廢熱鍋爐出口溫度由300 ℃突然降至250 ℃，結(jié)合水平衡計(jì)算分析確定為管束內(nèi)漏，裝置緊急停車。打開廢熱鍋爐后檢查發(fā)現(xiàn)，入口段管板面在時(shí)鐘6點(diǎn)至9點(diǎn)方向沖蝕嚴(yán)重，其它方向入口側(cè)管板面基本完好。清除耐火材料后發(fā)現(xiàn)泄漏起始點(diǎn)位于管板面8點(diǎn)鐘方向，管橋處沖蝕嚴(yán)重。管板泄漏形貌見圖1，管橋沖蝕局部形貌見圖2。

圖1 管板泄漏形貌

圖2 管橋沖蝕局部形貌

開裂位置管板表面澆注料與管板出現(xiàn)剝離，且向周圍延伸，裂管處管橋幾乎沖蝕消失，周圍管板管橋處出現(xiàn)沖蝕尖角，而遠(yuǎn)離開裂區(qū)域澆注料與管板貼合緊密。進(jìn)一步觀察陶瓷套管外貌發(fā)現(xiàn)，582根套管出現(xiàn)不同程度的裂紋及斷裂現(xiàn)象，泄漏管束內(nèi)套管斷裂脫開，脫落部分套管被管程工藝氣沖至廢熱鍋爐出口側(cè)管箱處。沖蝕前后管板結(jié)構(gòu)見圖3。

圖3 沖蝕前后管板結(jié)構(gòu)示圖

3 廢熱鍋爐泄漏原因分析

3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)欠合理

撓性管板具有結(jié)構(gòu)優(yōu)勢，張賢福[9]采用國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)對高壓撓性薄管板的厚度進(jìn)行了計(jì)算與對比，并采用有限元方法對管板的強(qiáng)度進(jìn)行校核。潘建華等[10]采用有限元方法對余熱回收熱交換器薄管板強(qiáng)度進(jìn)行分析計(jì)算，得出了薄管板的應(yīng)力及變形情況。李金科等[11]通過CFD 軟件對廢熱鍋爐入口流體進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，葉增榮[12]對廢熱鍋爐薄管板進(jìn)行了熱應(yīng)力分析。很多研究分析結(jié)果表明，正常設(shè)計(jì)下，高溫工藝氣如果徑向進(jìn)入，工藝氣入口接管中心線到受熱面管板表面的距離大于3倍的入口管箱直徑，有利于實(shí)現(xiàn)流體的均勻分布。本廢熱鍋爐工藝氣為徑向進(jìn)入，工藝氣入口接管中心線到受熱面管板表面的距離為990 mm，而入口管箱處直徑為1 746 mm，未能滿足3倍比值關(guān)系，造成流體進(jìn)入鍋爐后分布不均，且防沖板靠近管板處存在高度100 mm的卷邊，流體進(jìn)入鍋爐后容易形成氣壩效應(yīng)，造成在管板8點(diǎn)鐘方向熱強(qiáng)度過大。

3.2 管板局部超溫

根據(jù)現(xiàn)場情況，開裂位置管板表面澆注料與管板出現(xiàn)剝離系管束焊縫處泄漏高壓鍋爐水急速汽化沖刷所致。陶瓷套管斷裂后，焊縫暴露在910 ℃工藝氣中，15CrMoG材質(zhì)管板局部長期接觸高溫氣體，局部溫度超出設(shè)計(jì)溫度，材料性能下降導(dǎo)致失效。

3.3 鍋爐水質(zhì)超標(biāo)

廢熱鍋爐的水質(zhì)要求較高[13]，水質(zhì)不良會(huì)導(dǎo)致廢熱鍋爐產(chǎn)生結(jié)垢、腐蝕及品質(zhì)惡化等問題[14]，嚴(yán)重時(shí)可造成腐蝕穿孔甚至過熱爆管等事故。實(shí)際操作中雖然對鍋爐水指標(biāo)進(jìn)行了嚴(yán)格控制，但仍時(shí)有磷酸三鈉超標(biāo)的現(xiàn)象。

3.4 管束結(jié)垢及聯(lián)鎖停車

廢熱鍋爐管、殼程操作壓差1.2 MPa，入口段操作溫差640 ℃，管程工藝氣中夾帶催化劑粉塵，且在正常運(yùn)行中管束內(nèi)容易沉積磷酸鹽形成垢層，造成陶瓷套管與管束間自由間隙減小甚至為0，管束膨脹系數(shù)大于陶瓷套管膨脹系數(shù)。此外，裝置運(yùn)行期間累計(jì)發(fā)生超20次聯(lián)鎖停車事故，緊急降溫容易造成套管受擠壓后產(chǎn)生裂紋。

3.5 清灰吹掃不當(dāng)

裝置停車大修期間會(huì)對廢熱鍋爐管束內(nèi)表面進(jìn)行清灰吹掃，此工序操作不當(dāng)容易造成陶瓷保護(hù)套管機(jī)械損傷。

4 廢熱鍋爐管板修復(fù)

廢熱鍋爐管板材質(zhì)為15CrMoG，焊后容易產(chǎn)生延遲裂紋，且現(xiàn)場修復(fù)時(shí)熱處理難度大、熱處理質(zhì)量較難控制。本次修復(fù)的原則是盡量恢復(fù)管板初始形貌，使管板修復(fù)后的應(yīng)力趨于原設(shè)計(jì)工況時(shí)的應(yīng)力，具體修復(fù)方案如下。

(1)打磨補(bǔ)焊面，直至全部露出金屬光澤，將尖角的管橋打磨至5 mm壁厚處。

(2)插入堵頭進(jìn)行定位焊，焊接方法為氬弧焊(GTAW)，焊絲選用ERNiCr-3。入口段、出口段管板堵頭結(jié)構(gòu)分別見圖4、圖5。

圖4 入口段管板堵頭結(jié)構(gòu)

圖5 出口段管板堵頭結(jié)構(gòu)

(3)焊接入口段管板堵頭與換熱管，焊接方法為GTAW，焊絲選用ERNiCr-3，焊接電流90～120 A，電弧電壓10～18 V。150 ℃預(yù)熱，利用氬弧焊易于成型的特點(diǎn)，在管橋處先補(bǔ)焊一層底面，滲透檢測合格后焊接入口段管板堵頭，并填補(bǔ)堵頭處管橋缺失部位。為防止局部溫度過高，相鄰管束間及焊肉每層之間均采用不連續(xù)堆焊，直至完成所有入口段管板堵頭的焊接，滲透檢測合格后方可進(jìn)入下一步工序。入口段管板堵頭與管橋焊接示圖見圖6。

(4)選用?4.0 mm的 ENiCrFe-3合金鎳基焊條，采用焊條電弧焊橫向焊接完成管板堆焊，電源極性直流反接，焊接電流130～160 A，電弧電壓20～

圖6 入口段管板堵頭與管橋焊接示圖

30 V。采用小電流焊接，層間溫度不超過100 ℃，分2塊區(qū)域輪流補(bǔ)焊，直至厚度達(dá)到20 mm，滲透檢測 I級合格。堆焊后管板結(jié)構(gòu)見圖7。

圖7 堆焊后管板結(jié)構(gòu)示圖

(5)焊接出口段管板堵頭，焊接工藝參數(shù)與管板堆焊參數(shù)相同。管板補(bǔ)焊后將兩端管板加熱至約750 ℃，覆蓋保溫棉，封閉人孔保溫做消應(yīng)力處理。

(6)現(xiàn)場打磨其他部位沖刷腐蝕管橋，確保管橋處厚度不小于5 mm，以減小尖角管橋處應(yīng)力集中。關(guān)注堆焊管板邊緣相鄰處管橋延遲裂紋的出現(xiàn)，修復(fù)中共檢查出11處管橋裂紋，均進(jìn)行了打磨補(bǔ)焊。

(7)檢測管板厚度、硬度，對泄漏管子端部焊縫進(jìn)行滲透檢測，管板修復(fù)完成后更換全部陶瓷套管，澆注料修筑養(yǎng)護(hù)合格后備用。管板修復(fù)后換熱管堵管方位見圖8。

圖8 管板修復(fù)后換熱管堵管方位示圖

5 修復(fù)后廢熱鍋爐核算[15]

5.1 管板厚度

修復(fù)后的管板計(jì)算厚度按式(1)計(jì)算：

(1)

5.2 換熱管與管板連接接頭拉脫應(yīng)力

換熱管與管板連接接頭拉脫應(yīng)力按式(2)計(jì)算：

(2)

其中

AZ=Abmax-πd2/4

(3)

式中，q為換熱管與管板連接接頭的拉脫應(yīng)力，MPa；d為換熱管外徑，l為換熱管與管板連接的焊腳高度，mm；Ф為換熱管與管板焊接接頭系數(shù)；AZ為布管區(qū)周邊單根換熱管支撐面積，Abmax為在布管區(qū)周邊圍繞單根換熱管畫假想圓的中心點(diǎn)連線所包圍的面積最大值，mm2。

將d=38 mm、Abmax=3 690 mm2帶入式(3)計(jì)算得AZ=2 826.46 mm2。將pc=5.92 MPa、d=38 mm、l=7 mm、Ф=0.8、AZ=2 826.46 mm2帶入式(2)計(jì)算得q=25.04 MPa。

5.3 換熱管與管板連接接頭許用拉脫應(yīng)力

換熱管與管板連接接頭許用拉脫應(yīng)力按式(4)計(jì)算：

(4)

5.4 換熱效果

管板修復(fù)過程中換熱管共計(jì)堵管118根，考慮1%的熱損失，對熱負(fù)荷重新進(jìn)行核算。在與檢修前進(jìn)料量相同的情況下，廢熱鍋爐出口工藝氣溫度仍然小于340 ℃，阻力降增加約0.005 5 MPa。裝置開車后，廢熱鍋爐工藝氣出口溫度滿足生產(chǎn)需求，廢熱鍋爐運(yùn)行平穩(wěn)。

6 結(jié)語

按文中方案對廢熱鍋爐沖蝕管板進(jìn)行了修復(fù)，修復(fù)投用后廢熱鍋爐已高負(fù)荷穩(wěn)定運(yùn)行超過1 a，各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)穩(wěn)定。投用期間因鼓風(fēng)機(jī)變頻器故障發(fā)生多次聯(lián)鎖停車，裝置緊急降溫、降壓，廢熱鍋爐均未發(fā)生泄漏故障，證明撓性薄管板修復(fù)成功。此次管板修復(fù)在國內(nèi)尚屬首次，對國內(nèi)同類型設(shè)備的修復(fù)具有借鑒意義。