變換裝置蒸汽發(fā)生器管板及管箱筒體開裂原因分析及應(yīng)對措施

盧曉東 李 璇

（1.盛虹煉化（連云港）有限公司；2.蘭州寰球工程有限公司）

某煤化工項(xiàng)目變換裝置開車運(yùn)行8 個(gè)月左右，發(fā)現(xiàn)一臺(tái)蒸汽發(fā)生器（E-1505）管箱筒體兩側(cè)出現(xiàn)3 條裂紋，裂紋往外滲水，判斷裂紋是從殼程側(cè)開裂，公司討論決定觀察運(yùn)行。再次運(yùn)行1個(gè)月左右，變換裝置其他4 臺(tái)蒸汽發(fā)生器均出現(xiàn)類似情況，停車打開換熱器后，發(fā)現(xiàn)管板和管箱筒體開裂。

針對上述情況筆者通過對裂紋的形態(tài)分析、金相分析和腐蝕產(chǎn)物的分析，結(jié)合運(yùn)行過程中蒸汽發(fā)生器爐水加藥情況和堿應(yīng)力腐蝕開裂的條件，找出變換裝置蒸汽發(fā)生器管板和管箱筒體開裂原因。

1 設(shè)備現(xiàn)狀

經(jīng)現(xiàn)場檢查可以看出，蒸汽發(fā)生器上的裂紋如圖1 所示。裂紋1 外壁長度約140 mm（管板上約90 mm，管箱上約50 mm），裂紋2 外壁長度約120 mm（管板上約70 mm，管箱上約50 mm），裂紋3 外壁長度約50 mm。3 條裂紋均出現(xiàn)在管板與管箱筒體相連的焊縫附近，且與焊縫（環(huán)向）垂直，裂紋位置示意圖如圖2 所示。

圖1 蒸汽發(fā)生器上的裂紋

圖2 裂紋位置示意圖

蒸汽發(fā)生器主要技術(shù)參數(shù)見表1，換熱管與管板采用如圖3 所示的強(qiáng)度焊+貼脹連接形式［1］，工藝介質(zhì)（變換氣）組分見表2。

表1 蒸汽發(fā)生器主要技術(shù)參數(shù)

表2 變換氣組成成分 mol%

圖3 換熱管與管板連接形式

2 開裂原因分析

筆者對蒸汽發(fā)生器上的裂紋1 進(jìn)行取樣分析，樣品如圖4 所示。

圖4 裂紋1 樣品

2.1 MT 和PT 檢查

對裂紋和附近的外壁進(jìn)行MT 檢測，管箱內(nèi)壁進(jìn)行PT 檢測，結(jié)果如圖5 所示。外壁檢出裂紋總長度約139 mm，其中管箱體上長約88 mm的裂紋沿軸向擴(kuò)展，管板上長約51 mm 的裂紋沿徑向擴(kuò)展。裂紋局部有分叉現(xiàn)象（圖5a 箭頭所指處）。管箱內(nèi)壁未檢出裂紋，黃色區(qū)域內(nèi)為不銹鋼手工堆焊層 （對應(yīng)基材為管板與管箱筒體相連的環(huán)焊縫），手工堆焊寬度約110 mm（圖5b）。

圖5 MT 和PT 檢測結(jié)果

2.2 樣品解剖

分別沿圖6 中A 和B 藍(lán)色線將兩根管子對半剖開，剖開后的宏觀形貌如圖7、8 所示。沿A線剖開時(shí)，A-“1”部位管子與管板孔未貼合（有明顯的縫隙），A-“2”部位管子與管板孔貼合較好（無明顯縫隙），如圖7a 所示，去除管子后，發(fā)現(xiàn)A-“1”的管板孔內(nèi)有明顯的腐蝕和微裂紋，而A-“2”的管板孔內(nèi)未見明顯的腐蝕點(diǎn)狀坑和微裂紋（圖7b、c）。沿B 線剖開時(shí)，B-“2”靠近管板堆焊過渡區(qū)，管子與管板孔之間有明顯的縫隙存在，去除管子后，PT 檢測發(fā)現(xiàn)B-“2”管板孔內(nèi)有明顯的裂紋和蝕坑存在（圖8b），MT 檢測在裂紋和蝕坑之間還有較多淺表不規(guī)則裂紋 （圖8c、d）。主裂紋基本沿管子軸向擴(kuò)展，實(shí)測管板孔內(nèi)裂紋長約53 mm，淺表裂紋成龜裂狀。

圖6 樣品解剖示意圖

圖7 樣品沿A 線剖開面

圖8 樣品沿B 線剖開面

2.3 裂紋金相分析

從B-“2”剖面一側(cè)的管板孔內(nèi)主裂紋尖端上截取試樣，編號(hào)為JX1（圖9），JX1 裂紋對應(yīng)的管板孔內(nèi)有3 條可見裂紋，分別編號(hào)1#～3#（圖10），其中1#裂紋較長（在金相面約25 mm），其他兩條很淺，均屬微裂紋（2#裂紋長約0.20 mm，3#裂紋長約0.16 mm）。裂紋均以沿晶開裂為主，局部有穿晶特征（圖11、12）。

圖9 金相試樣截取部位

圖10 裂紋宏觀形貌

圖11 試樣JX1 電子金相圖

圖12 試樣JX1光學(xué)金相圖

2.4 斷口分析

將裂紋打開（圖13），配對斷口的宏觀形貌如圖14 所示，斷口上呈黑色和鐵銹紅色的區(qū)域均為裂紋斷裂面，呈白色的區(qū)域?yàn)槿斯ご蜷_面或砂輪切割面。斷口相對較平，有明顯的放射狀紋路，按紋路收斂方向判斷，起裂部位位于管板孔內(nèi)靠近管頭側(cè)，裂紋先沿管板擴(kuò)展，然后發(fā)展至管箱筒體上，穿透管板和管箱基材發(fā)生泄漏，裂紋在不銹鋼堆焊層和角焊縫上擴(kuò)展速度較慢，未穿透堆焊層和角焊縫。整個(gè)斷口上有可見二次裂紋存在，具有應(yīng)力腐蝕開裂特征。

圖13 斷口打開部位

圖14 配對斷口宏觀形貌

2.5 腐蝕產(chǎn)物X 射線衍射分析

將裂紋處的換熱管去除后發(fā)現(xiàn)管板孔內(nèi)堆積著較多的結(jié)垢物，刮取結(jié)垢物進(jìn)行X 射線衍射分析，XRD 分析圖譜如圖15 所示。分析可知，管板孔內(nèi)的結(jié)垢物主要為Fe3O4和少量FeS。

圖15 結(jié)垢物XRD 分析圖譜

3 分析結(jié)果

上述分析結(jié)果表明，穿透裂紋處的換熱管外壁與管板孔壁貼合不佳，穿透裂紋起裂于管板孔內(nèi)基材與堆焊層過渡區(qū)的基材側(cè)，主要沿管板和管箱筒體基材擴(kuò)展，微觀以沿晶開裂為主，并有分叉，裂紋已延伸至堆焊層上（未穿透堆焊層）。裂紋內(nèi)有氧化物存在，腐蝕產(chǎn)物X 衍射分析中主要峰值為Fe3O4。上述裂紋、斷口及腐蝕產(chǎn)物特征與低合金鋼堿應(yīng)力腐蝕開裂主要特征高度吻合。

接觸添加了NaOH 和Na3PO4鍋爐水的碳鋼、低合金鋼、奧氏體不銹鋼的設(shè)備及管道均存在堿應(yīng)力腐蝕開裂的風(fēng)險(xiǎn)。主要影響因素包括：溫度、濃度、材質(zhì)及殘余應(yīng)力等。對碳鋼和低合金鋼而言，發(fā)生堿應(yīng)力腐蝕開裂的臨界濃度和溫度為：NaOH 濃度不小于5%，溫度不低于50 ℃［2］，碳鋼和低合金鋼對堿應(yīng)力腐蝕開裂的敏感性高于300系列奧氏體不銹鋼。

蒸汽發(fā)生器正常操作爐水pH 值控制在8.8～9.3 之間，爐水添加劑為NaOH，添加量一般為每天10 kg，液相水中NaOH 濃度一般僅為1 mg/L左右，遠(yuǎn)低于發(fā)生堿應(yīng)力腐蝕開裂NaOH 5%臨界濃度的要求，因此，殼程液位線下不會(huì)發(fā)生堿應(yīng)力腐蝕開裂。由于E-1505 為斧式蒸汽發(fā)生器，正常操作是液位控制在40%～60%，在液位波動(dòng)范圍內(nèi)存在干濕交替現(xiàn)象，從而導(dǎo)致堿發(fā)生濃縮，濃縮后局部堿濃度超過5%，另據(jù)操作人員介紹，有一段時(shí)間為了調(diào)節(jié)爐水pH 值，NaOH 每天添加量曾經(jīng)達(dá)到了30 kg，這種情況持續(xù)了近一個(gè)月，且殼程鍋爐水入口溫度為140.00 ℃，出口溫度為158.77 ℃，滿足了堿應(yīng)力腐蝕開裂發(fā)生的條件，現(xiàn)場實(shí)際出現(xiàn)裂紋的部位也全部位于液位波動(dòng)區(qū)域。

在可能存在堿濃縮的區(qū)域內(nèi)，由于換熱管和管板孔間的間隙中濃縮的堿在液位上升時(shí)較難被完全溶解，所以濃縮現(xiàn)象更為嚴(yán)重。此外，管頭焊接和管板堆焊會(huì)形成殘余應(yīng)力，因此，管頭焊縫和堆焊過渡區(qū)容易成為應(yīng)力腐蝕開裂的起裂部位。宏觀剖面檢查發(fā)現(xiàn)，開裂部位的管板孔和管子之間均存在較大的縫隙（同時(shí)也存在縫隙腐蝕［3］，縫隙腐蝕也加劇了管板的開裂）。

綜上分析認(rèn)為，蒸汽發(fā)生器（E-1505）管板和管箱筒體開裂泄漏是由堿應(yīng)力腐蝕引起的，操作液位波動(dòng)范圍內(nèi)存在堿濃縮且換熱管外壁與管板孔壁貼合不佳是導(dǎo)致開裂的主要原因。

4 應(yīng)對措施

設(shè)計(jì)時(shí)的應(yīng)對措施為：換熱器管板與換熱管連接形式上采用新型結(jié)構(gòu)，比如深孔焊和迷宮式脹焊結(jié)構(gòu)，徹底消除換熱管與管孔之間的間隙，但這兩種結(jié)構(gòu)制造難度大，造價(jià)昂貴；蒸汽發(fā)生器爐水調(diào)節(jié)劑多選用不易濃縮的藥品，比如氨水等，一般慎用強(qiáng)堿藥劑，比如NaOH。

制造環(huán)節(jié)是保證設(shè)備長周期安全運(yùn)行的關(guān)鍵，大部分換熱器管板與換熱管連接都采用脹焊工藝，貼脹的質(zhì)量決定換熱管外壁與管板孔壁的貼合是否緊密，是否存在空隙。因此，在換熱管穿管前，對換熱管管端外表面要徹底除銹，貼脹質(zhì)量要嚴(yán)格保證，焊接時(shí)管端清理后應(yīng)呈現(xiàn)金屬光澤，其長度應(yīng)不小于二倍的管板厚度。

操作時(shí)的注意事項(xiàng)為：嚴(yán)格控制爐水pH 值，每班應(yīng)進(jìn)行爐水化驗(yàn)并進(jìn)行定排，防止?fàn)t水中堿液濃度超標(biāo)；盡量保持蒸發(fā)器高液位操作，杜絕出現(xiàn)干鍋或低液位情況發(fā)生?？傊夯て髽I(yè)變換裝置蒸汽發(fā)生器發(fā)生大面積堿應(yīng)力腐蝕泄漏的情況相對比較多，企業(yè)相關(guān)技術(shù)人員要引起足夠的重視，從設(shè)計(jì)、制造、使用各個(gè)階段把好關(guān)，以降低類似故障發(fā)生的概率。

5 結(jié)束語

釜式蒸汽發(fā)生器在各煉油化工及煤化工裝置經(jīng)常發(fā)生泄漏情況，多是由于加藥和操作不當(dāng)引起的，因此，各設(shè)備管理人員要高度重視該類問題，釜式蒸汽發(fā)生器在操作時(shí)要特別關(guān)注爐水指標(biāo)、操作液位等，并且要加強(qiáng)定排，同時(shí)應(yīng)從設(shè)計(jì)、制造環(huán)節(jié)加強(qiáng)控制，以減少該類問題的發(fā)生。