锅炉给水预热器渗漏原因分析

2021-04-19罗传武

化工机械 2021年1期

罗传武

（中海石油建滔化工有限公司）

中海石油建滔化工有限公司日产2kt 甲醇装置采用德国LURGI 公司低压合成甲醇生产工艺，其中的高压锅炉给水预热器（E-01005）于2006 年投用，设备采用U 形管换热器、立式布置，在运行过程中，E-01005 壳体发生渗漏现象，严重影响了装置的安全生产。为此，笔者结合设备结构、材料和工艺，初步分析了渗漏原因。

1 工艺简介

高压锅炉给水预热器（E-01005）为LURGI 公司低压合成甲醇生产工艺转化部分的预热回收设备。来自蒸汽转化炉（B-01001）转化气（880℃、2.05MPa）以309.27Nm3/h 速度依次通过废热锅炉（E-01003）、天然气预热器（E-01004），加热锅炉水和天然气，转化气参数变为328℃、1.99MPa，然后通过E-01005 将来自高压锅炉给水泵（P-01501A）120℃的锅炉水加热到245℃，而转化气自身的温度降到151℃。高压锅炉给水预热器工艺参数见表1。

2 问题描述

2013 年9 月，工艺反映可能有来自高压锅炉给水预热器E-01005 的锅炉水泄漏到转化气中，2014 年10 月18 日工艺巡检发现E-01005 壳体外部保温层处出现渗水现象，将保温层拆除后发现在入口管箱纵向焊缝处有泄漏，目视该焊缝热影响区存在一条可见裂纹（图1），装置紧急停车、置换交出检修。

2014 年10 月18 日停车检修，20 日开始从筒体外壁对焊缝做100%超声波、磁粉探伤，未发现其他缺陷，于是决定将原裂纹打磨后开始补焊修复。经过打磨，发现在裂纹延伸方向一直有裂纹，一直磨到约700mm 长（图2）。裂纹上部直到管箱筒体的环焊缝，且沿着环焊缝上继续打磨，还有裂纹；在垂直于纵向裂纹的方向也有裂纹，最长的达200mm（图3）。

表1 高压锅炉给水预热器工艺参数

图1 管箱泄漏的纵焊缝

图2 管箱筒体打磨后的纵焊缝与环焊缝

图3 管箱筒体上垂直于纵焊缝的横裂纹

管箱内部检查，在不锈钢衬里上发现大量龟裂纹（图4），在管板与筒体的环焊缝上也有裂纹，局部打磨补焊的方案改为挖补（图5），继续打磨后确定挖补范围是700mm×800mm，筒体其他部位裂纹（细小裂纹深度大约5～7mm）打磨修补。管板堆焊层与换热管裂纹如图6、7 所示。

图4 管箱内部复板裂纹

图5 筒体裂纹挖补方案

图6 管板堆焊层裂纹

图7 换热管裂纹

3 原因分析

高压锅炉给水预热器E-01005 于2006 年投用，2010 年装置大修期间定期检验未发现异常，2013 年1 月大修期间宏观检查未发现异常。该设备的管箱采用爆炸复合板，基板材料为15CrMoR，厚22mm，复板材料为0Cr18Ni10Ti，厚3mm。管板材料为12Cr2Mo1 Ⅳ，厚392mm；堆焊层材料为0Cr18Ni10Ti，厚8mm。

当换热管先于管箱开裂导致高压锅炉水泄漏时，从换热管泄漏至管箱的高压水接触到管箱内壁时，造成复板和基板之间瞬态温差，产生的热应力超过材料的强度极限，导致萌生裂纹，有多条裂纹同时产生、扩展汇合，使管箱复板产生大面积龟裂纹；在复板裂纹尖端局部应力集中处裂纹扩展至基板，致使基层材料也出现裂纹。

经观察，基板泄漏是从管箱的纵焊缝开始的，基板焊缝和热影响区是抗氢蚀的薄弱部位，焊缝对氢蚀的敏感均比母材高，氢分子尤其是氢原子有很高的扩散率，在300℃时，铁晶格中扩散率近14-4cm2/s，在高温时由于氢分子的分解，焊接质量不高的焊缝处的气孔、不连续处和夹杂物就成为氢和甲烷聚集的场所，由于甲烷不能从钢中扩散出去，所以在内部形成高压，在焊缝不够致密处造成裂纹（图1）。

由于换热管已经泄漏，因此管箱内的环境为湿的腐蚀性气体，氢气在此环境中经过电化学反应生成氢原子，这些氢原子渗透到钢中之后，使钢材晶粒间的原子结合力降低，即发生氢脆（一次脆化、可逆），破坏了钢的晶格。进而在高氢分压的状态下，氢原子和氢分子通过晶格和晶间向内扩散，这些氢与钢中的碳化物（渗碳体）发生化学反应生成甲烷（Fe3C＋2H2→3Fe＋CH4），造成钢内部脱碳，甲烷气体不能从钢中扩散出去而聚集在晶间形成局部高压，造成应力集中，晶间变宽，致使产生微小裂纹（氢致裂纹），即发生氢蚀（不可逆、材料脆化），随着时间的延长，这些裂纹逐渐相连，使钢材的强度和韧性下降而失去原有的塑性而变脆。