天然气制氢装置废热锅炉管板典型裂纹原因分析及修复

肖元超，吴磊，张丽

（1.山东明润特种装备有限公司；2.山东省特种设备检验研究院枣庄分院，山东 枣庄 277100）

天然气制氢装置废热锅炉管板典型裂纹原因分析及修复

肖元超1，吴磊2，张丽1

（1.山东明润特种装备有限公司；2.山东省特种设备检验研究院枣庄分院，山东 枣庄 277100）

某公司制作的天然气制氢装置天然气转化工段用废热锅炉，在使用过程中其高温端管板（材质 15CrMoIII）与换热管束（材质 15CrMo）端部焊缝及管板出现多处裂纹，长度约 50mm左右，内部出现渗漏，设备无法正常运行。通过现场勘查、图纸设计、管板材质以及对废热锅炉制造过程分析等，确定废热锅炉管板上的这些裂纹属高温回火脆性开裂，导致介质渗漏，并提出了相对可行的的修复措施。

废热锅炉；15CrMo；高温回火；脆性开裂；原因分析；修复

1 情况简介

某压力容器制造单位为山东某公司 50000吨 /年针状焦生产线天然气制氢装置制造了一台废热锅炉（相关技术特性表见表 1），设备长度 10m，共分高温段、低温段两部分，是天然气转化工段的关键设备。

在设备运行 4个月后，高温端换热管（φ38×3.5材 质：15CrMo） 与 管 板（φ1306×150材 质：15CrMoⅢ）焊缝处、换热管端部及管板多处裂纹，长度约 50mm左右（图1、2），内部出现渗漏，设备无法正常运行，情况较严重。

图1 打磨后单孔裂纹形貌

图2 打磨后部分裂纹分布位置

2 原因分析

2.1 现场勘查

经现场勘查发现，焊缝裂纹沿换热管与管板焊缝纵向开裂，长度约 50mm。该管板侧共有 70个焊接接头，出现裂纹的接头共 18处。同时，现场清理下来的预制块有明显的裂纹痕迹，且预制块厚薄不一，耐火浇注料在使用过程中有脱落的痕迹。

2.2 设计方面

查 阅 GB150.2-2011，15CrMo钢 管、 管 板 锻 件最 高 使 用 温 度 均 为 550℃，OCr25Ni20换 热 管 套 管(φ25×2 L=400)最高使用温度 800℃，图纸设计不符合 GB150.2-2011规定要求。另一方面，管程低温端、高温端耐火浇注料相同；换热管、管板材质相同，均为15CrMo钢材，规格厚度相同，图纸技术特性表中列明，管程低温端工作温度 350～ 500℃，在 15CrMo钢材最高使用温度 550℃以下。管程低温端换热管端部及管板未开裂，使用正常。管箱、管板处搪制了耐火材料，采取了一定的隔热措施，如果耐火浇注料能将管箱、换热管与管板温度控制在 550℃以下，则设计方面没有问题。

2.3 相关化验与测试

母材成分化验。钢板到厂后，公司对该批材料包括 15CrMoIII管板都做了复验，其中 C、Cr、Mo等关键元素指标符合 NB/T47008-2010的要求，其中 C元素实测最大含量为 0.15%，低于标准限值 0.18%。此次特意用光谱分析仪对焊缝两边母材现场测试，结果符合要求（表2）。

硬度测试。对裂纹部位的母材、焊缝、热影响区进行硬度测试，均在正常范围内。

表1 废热锅炉相关技术特性及要求

表2 光谱分析结果

厚度测试。对焊缝及热影响区各个部位进行超声波厚度测试。测厚数据表明，最小厚度可以保证设备所需最小壁厚。

2.4 废热锅炉制造过程中焊接、热处理分析

该废热锅炉于 2015年 8月制作完成。焊接方法采用焊条电弧焊，为了保证焊缝质量，需将 R307焊条(直径 2.5mm)烘干温度 305～ 400℃，保温 1～ 2h，以保证焊缝金属中扩散氢的含量为最低。烘好的焊条放入保温筒，随取随用，按照图纸以及设计文件要求，换热管与管板焊接后应立即进行后热（消氢）处理，并进行局部热处理，热处理使用履带式电加热带，换热管与管板焊接后用液化气喷火枪加热到后热（消氢）处理温度 300℃、局部热处理温度 650℃，持续加热 0.5h左右后，用岩棉硅酸铝保温，这样符合后热（消氢）处理、局部热处理规范要求。

2.5 高温回火脆性开裂

本台设备中涉及的 15CrMo锻件在服役过程中，由于预制脱落不能对管板进行有效保护，使其在 650℃以上的高温环境中长期服役（时效）中产生脆化现象，也称为第二种回火脆性，符合偏聚理论。

综上所述，一般来说，高温回火脆性会导致管板开裂，根据现场勘查情况和以上分析可以看出，该裂纹属高温回火脆性开裂，预制过程存在明显问题。设备使用过程中，预制脱落造成 15CrMoIII管板长期在高温中服役是产生管板开裂的主要原因。

3 现场修复措施

现场制定的裂纹修复措施主要包括：（1）结合表面无损检测，准确找到焊缝位置及分布，然后用气刨深挖裂纹处，焊接前清理焊道裂纹两侧。（2）焊前预热 ,在焊接中坡口两侧不小于 200mm范围的温度不得低于 150℃。管板加热到 180℃后用岩棉保温缓冷。预热过程随时测温，保证预热温度的均匀性,温度升至180℃后断电进行焊接。（3）采用手工焊，焊接参数严格按工艺执行，并严格控制焊接热输入，每条焊缝要一次焊完，中间不得停留，并严格控制道间温度不低于150℃，否则应重新进行加热。（4）焊缝焊完后立即进行 250～ 300℃ ×2h的消氢处理，加热到温度后用岩棉进行保温，以降低扩散氢含量，提高焊接接头的冲击韧度，避免延迟裂纹的产生。（5）焊缝焊接完毕，待24h后进行磁粉检测。

焊接裂纹修复后，有专业预制厂家按照有关技术要求对设备中已脱落预制及有脱落倾向的部分进行了彻底修复，从而保证了 15CrMoIII的服役环境，使用近 1年来没有再出现类似问题，运行正常。

4 结语

综上所述，通过分析及修复过程可以得出，高温回火脆性的发生主要和材料及其使用环境有很大关系，设计者在设计时要充分考虑工作参数，特别是最高工作温度，选用合理的材料牌号，从而从源头上消除高温回火脆性的发生可能性。同时，制造者应严格按照有关技术要求，保证材料使用的正确性，提高焊接、预制、消除应力的工艺执行力，从而保证具有高温回火脆性断裂倾向设备的整体产品质量。

[1]TSG 21-2016. 固定式压力容器安全技术监察规程 [ S].

[2]NB/T47015-2011. 压力容器焊接规程 [ S].

[3]NB/T47014-2011. 承压设备焊接工艺评定 [ S].

TQ050

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1671-0711（2017）07（下）-0032-02