合成氨中置鍋爐常見失效原因分析及改進措施

崔 娟，尤 軒，王際隆

（湖北宜化集團化工機械設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失效原因分析及改進措施

崔 娟，尤 軒，王際隆

（湖北宜化集團化工機械設備制造安裝有限公司，湖北宜昌 443007）

摘 要：介紹了合成氨生產中置鍋爐結構及工藝特點，針對在生產過程中中置鍋爐常見的幾種失效泄漏的問題，包括列管出現裂紋，筒體、封頭或列管聯箱焊縫出現裂紋等，提出了對應改進措施。

關鍵詞：中置鍋爐；失效泄漏；管束；環焊縫；應力腐蝕；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蒸汽。近幾年集團公司內部中置鍋爐失效泄漏的現象屢見不鮮，本文將結合中置鍋爐在生產中出現的各種失效原因進行分析并提出改進措施。

1 中置鍋爐的結構及工藝特點

1.1 結構特點

中置鍋爐為管殼式結構，主要有聯箱式、管箱式兩種，一般情況下殼體材質為Q345R，列管材質為10MoWVNb或0Cr18Ni9Ti，具體結構見圖1、圖2。

圖1 聯箱式余熱鍋爐

圖2 管箱式余熱鍋爐

1.2 工藝特點

工藝運行參數見表1。

表1 中置鍋爐工藝運行參數

2 列管出現裂紋

2.1 失效案例

案例1：清江公司2#廢鍋，規格?1 400 mm× 14 mm，換熱面積34 m2，列管材質為10moWVNb，殼程材質為Q345R，投用后3年時間內出現嚴重泄漏故障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，規格?1 800 mm× 16 mm，換熱面積為108 m2，列管材質為10MoWVNb，殼程材質為Q345R，該設備于2012年5月投用，2013年3月發現換熱管泄漏，后經過檢查發現該廢鍋換熱管彎頭處出現裂紋，穿管4根。

2.2 原因分析與控制措施

2個公司中鍋管束裂紋均發生在列管彎頭處，其產生的原因可能是：①在制造環節中，材料化學成分不合格或有超標缺陷導致裂紋；②在使用過程中，設備操作超溫、超壓，超負荷運行導致列管塑性變形開裂；或水質不合格導致結垢和電化學腐蝕；③換熱管在彎管過程中產生殘余應力導致細小缺陷，投入高工況運行后，熱應力、工作應力綜合誘發裂紋加劇。

（1）制造環節排查。2個公司中置鍋爐產生裂紋泄漏的管束材質均采用10MoWVNb，10MoWVNb鋼是我國自主開發的特種抗氫腐蝕用珠光體耐熱鋼，其在高溫（250～400℃）、高壓狀態下具有良好的抗氫、氮、氨腐蝕性能。清江公司在中鍋泄漏后，對列管進行了材料取樣作化學成分復驗，材料復驗參照GB6479—2000標準（見表2），發現列管材料化學成分S、P含量明顯超標，基本判定泄漏為列管材料不合格所致。

表2 列管材料化學成分（參照GB6479—2000）

（2）使用環節排查。檢查2個公司操作控制室自動記錄保存的中置鍋爐工藝數據，未發現超溫、超壓現象，排除超載運行的影響。通過對合成車間提供的水質分析報告來看，清江公司水質合格率高且較為穩定，泰豐公司水質合格率波動頻繁。通過對管束拆檢發現，泄漏彎管部位厚度均未見減薄，但是泰豐公司列管內表面存在輕微結垢現象，影響不大，亦排除水質影響。

（3）2個公司中鍋均是在投用不足1年的時間內發生泄漏，泰豐公司對其余未泄漏的列管進行滲透檢測，發現部分列管彎管部位存在微小裂紋，經與設備制造廠家現場討論分析認為，換熱管在制造過程中冷彎時，彎管質量控制不嚴存在細小缺陷。通過應力計算表明，中置鍋爐列管最大應力位于上部彎管處外壁，整個管束兩端彎管處（突變處）應力集中較大，由于殘余應力、溫差引起的熱應力及管內壓（32.0 MPa（g））的工作應力，使管周向和軸向均存在較大的拉應力，同時，由于管束的不連續性，使管兩端彎頭處應力最大，故裂紋最容易發生在彎頭部位。

對于10MoWVNb這種珠光體耐熱鋼管束，列管在制造過程中冷彎時容易存在缺陷導致彎管部位裂紋，所以在使用時要著重控制入口，保證材質合格及制造質量合格。

另外，對于奧氏體不銹鋼管束的廢鍋，在水和蒸汽介質中，氯離子濃度和溶氧量也是引起應力腐蝕導致管束破裂的重要因素，若管表面存在微小缺陷，如小縫隙、點坑、重皮、劃傷等，使Cl-聚積于此，如Cl-濃度＞25 mg/L，容易產生應力腐蝕的裂紋源，通常溫度愈高，愈容易產生應力腐蝕破裂。由于液位的波動，使上部列管上層管子經常處于交替浸泡和干燒，在液位低于最上層管子時，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，使這一過程不停地進行循環，從而在管應力腐蝕敏感部位產生應力腐蝕裂紋，如應力較高的彎管處、最上層列管溫度敏感處等，裂紋的擴展最終導致破裂。對于含微量氯離子的熱水和高溫水而言，氧的存在是產生應力腐蝕破裂的重要條件，一般來說，降低水中的溶氧量，可以抑制應力腐蝕裂紋的發生與擴展。在使用過程中，應嚴格控制水質，保證水質合格。

2.3 筒體、封頭或列管聯箱焊縫出現裂紋

2.3.1 失效案例

案例3：重慶索特公司1#廢鍋，規格?2400 mm× 26 mm，換熱面積為160 m2，列管材質為10MoWVNb，殼程材質為16MnR，2011年10月投用。投用之后1年時間里筒體焊縫先后出現3次裂紋。于2012 年5月檢修時對中鍋筒體拆除并入內檢查，肉眼可見鍋爐進水管附近筒體底部焊縫上呈現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從焊縫上延伸到筒體母材上，到母材上呈不規則形式，裂紋距離焊縫最遠約20 mm。鍋爐筒體縱焊縫裂紋見圖3。

案例4：楚星公司4#廢鍋，投用4個月后筒體環焊縫內表面出現多處垂直于焊縫方向的裂紋（見圖4、圖5），更換筒體2個月后又出現類似狀況。筒體材質為Q345R，通過對筒體焊縫母材區和焊縫區取樣進行化學成分分析，發現均符合 GB713—2008《鍋爐和壓力容器用鋼板》規定。

圖3 鍋爐筒體縱焊縫裂紋

圖4 鍋爐筒體環焊縫位置

圖5 鍋爐筒體環焊縫裂紋

2.3.2 原因分析與控制措施

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

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

（1）設計環節。重慶索特公司中鍋的焊縫裂紋出現在底部焊縫，尤其是進水管開孔的地方最密集，說明進水管道的布置和朝向對裂紋的產生有密切的關系。此臺設備進水管道安裝在筒體底部，進水孔朝下，進水溫度90℃，蒸汽溫度240℃，冷熱介質交匯產生的溫差應力交變循環載荷作用對底部筒體焊縫產生溫差應力，導致裂紋產生。在設計時應注意避免中鍋進水管位置太低，同時避免進水管孔直對焊縫，盡量使進水孔朝斜上方對管程的空檔處。

（2）制造環節。重慶索特公司出現焊縫裂紋后，經過前往廠家制造現場檢查和對質保資料進行審核，發現鍋爐在出廠前只進行了單個筒節的消除應力處理，未對設備進行整體消除應力熱處理，導致筒節與封頭環縫處存在較大的焊接殘余應力，投入運行后在機械應力、熱應力的綜合作用下產生裂紋。故在制造過程中須注意應對設備進行整體消除應力熱處理。

（3）使用環節。楚星公司中鍋焊縫裂紋集中于氣液分界線附近，裂紋形態呈放射狀，從焊縫向母材延伸擴展，焊縫附近存在明顯的坑蝕，發生了嚴重的電化學腐蝕。經過對鍋爐給水水質分析，發現水質未能達到標準要求，主要是水質堿性濃度偏高，加之200℃左右的蒸汽溫度，為腐蝕提供了環境和溫度。另外裂紋靠近液面附近，隨著鍋爐中的水不斷蒸發，水中的Cl-濃度不斷升高，在筒體環焊縫附近容易發生應力腐蝕。故在機械應力、熱應力，焊縫殘余應力和電化學腐蝕的共同作用下導致裂紋形成。在使用過程中應加強水質管理，減少結垢，緩解電化學腐蝕的發生，同時定時排污。

3 結語

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應力腐蝕，后者屬于焊接殘余應力較高下的應力腐蝕，設計、制作、使用各環節應分別加以控制，以確保中置鍋爐使用安全。

（1）在設計時，換熱管應盡量選用10MoWVNb，同時應注意避免中鍋進水管位置太低，避免進水管孔直對焊縫，盡量使進水孔朝斜上方對管程的空處。

（2）在制造過程中，應嚴格保證管束材質及彎管質量合格，同時嚴格控制焊接工藝質量及整體熱處理，消除熱應力。

（3）使用過程中嚴格控制鍋爐給水水質，定時分析，按時排污，減少結垢，減緩電化學腐蝕的發生。

參考文獻：

［1］TSG R0004—2009，固定式壓力容器安全技術監察規程［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：TK228

文獻標識碼：B

文章編號：1004-8901（2016）03-0059-03

作者簡介：崔娟（1982年-），女，湖北宜昌人，2005年畢業于武漢工程大學過程裝備與控制工程專業，工程師，現主要從事化工機械設計等工作。

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