合成氨二段轉化廢熱鍋爐失效分析

        1 概述
        建峰化工總廠化肥廠大型化肥裝置合成氨二段轉化廢熱鍋爐（100E8），由法國BABCOKE公司設計制造，其形式為自然循環臥式火管鍋爐，列管404根（每根列管入口都有1個火嘴）,正中央有一根旁路管。100E8主要材質見表1。運行時，工藝氣為轉化氣，氣體流量為159592 kg/h,入口溫度為869℃，壓力2.96MPa。水側給水為10004 kg/h，排污1010 kg/h。水側溫度：鍋爐給水入口303℃，出口為331℃，入口壓力為12.93Mpa(G),出口壓力為12.8MPa(G),總交換熱量129.83GJ/h。100E8失效歷程見表2。

    表1  100E8主要材質

        2 失效原因分析
        2.1列管穿孔泄漏
        100E8于1993年6月投產運行，1994年2月第1次出現失效現象，表現為92根列管在進口側距管口100mm～200mm處穿孔泄漏。
        此次失效的直接原因是水質問題[1]，而失效特征則表現為水質、列管溫度和水的局部流動性共同作用下的局部嚴重腐蝕穿孔和大面積結垢。失效特征和原因可以分為下列5種情況：
        1）爐水長期呈酸性，酸性溶液與金屬反應而造成酸性腐蝕，表現為腐蝕發生在高溫區[2]（火嘴噴出口）。
        2）爐水雜質較多，硬度較高，在列管外壁易于結垢，表現為各列管外壁結垢的普遍存在。
        3）管壁溫度越高，越有利于結垢和發生酸性腐蝕，表現為列管高溫區穿孔。100E8的列管在高溫氣進口附近溫度最高，可以判斷列管在這樣的區域腐蝕速度更快，如L－6、S－8、T－14和E－13等列管在這樣的區域率先腐蝕穿孔。

表2   100E8失效歷程

        4）在列管周圍水越不宜流動，局部腐蝕介質濃度越高，也就越易形成列管的局部嚴重腐蝕區。列管在高溫氣出口附近，由于靠近管板，該處局部水的流動性較差，也易出現較嚴重的腐蝕，如列管S－8在高溫氣出口附近出現黑色團塊。另一個典型的例子是在中部支承板處，水局部流動性差，列管易出現較嚴重的腐蝕，如S－8、T－14、E－13等在此處出現環狀腐蝕區。      
        5）在高溫和水流動性差共同作用下，最易發生腐蝕穿孔。100E8列管的高溫區和水流動性差的區域重疊的部分在列管高溫區進口附近，在這樣的區域腐蝕最嚴重，表現為列管在此區域穿孔。如L－6、S－8、T－14和E－13等列管在這樣的區域率先腐蝕穿孔。    
        2.2進出口管板大量泄漏
        更換列管后運行3個月，進出口管板大量泄漏。由于水質已經得到有效控制，在如此短的時間內就出現泄漏，且100E8運行時間很短，因此可以排除腐蝕因素，主要是開車時，難免有沖擊載荷存在，造成部分固有大裂紋的擴展和穿透；在疲勞載荷作用下，大裂紋發生低周疲勞擴展穿透管板或管壁；在殘余應力、工作應力和溫度的作用下，焊接接頭內的氫原子向應力集中區和焊接接頭中的微觀缺陷區集中。
        而上述3種情況發生的前提條件是：大量列管角焊縫的焊接接頭存在較大的修理裂紋(指在修理過程中產生的裂紋)；1994年換管時造成的焊接殘余應力很大；焊縫區材料斷裂韌性較差。由于存在著不可避免的焊接殘余應力(達到或超過焊縫區材料的屈服強度)，同工作應力疊加后，局部應力會很大，如果焊縫材料的韌性較差，那么修理裂紋就會擴展，造成管板泄漏。
        1995年1月修理時大量出現焊好一根列管時，該列管周邊列管的焊縫區就出現穿透裂紋的現象，分析認為有以下4種原因：① 周邊列管的焊縫區原先就存在較多微裂紋；② 在許多列管的焊縫區存在裂紋；③ 補焊時在周圍列管焊縫區造成的焊接溫度應力很大；④ 焊縫區材料斷裂韌性較差。當前3個原因存在時，就會大量出現邊補焊邊泄漏的現象。當第4個原因也存在時，更易于出現邊補焊邊泄漏的現象。因此，由焊接造成很大的溫度應力，造成了較大裂紋和殘余應力較高區域的暴露，即造成了邊補焊邊泄漏。
        2.3 進出口管板比較
        1995年1月發現出口管板裂紋遠多于進口管板，其比較分析如下：焊接接頭的質量由焊接殘余應力、焊接接頭力學性能決定，在其他條件相同時，焊接后熱處理是消除焊接接頭的焊接殘余應力、改善組織和保證焊接接頭力學性能的關鍵。由現場得知1994年更換列管熱處理時，在出口管板出現過加熱墊斷電，即熱處理中斷的現象，造成出口管板部分區域熱處理質量差，焊接接頭的焊接殘余應力沒有徹底消除，應力集中程度高，材料斷裂韌性差，在工作應力和溫度共同作用下，在出口管板焊接接頭上裂紋更容易萌生和發展，出口管板比進口管板易于泄漏。
        進口端管板有10處泄漏裂紋，同出口端相比較少，但是如果僅就進口管板而言，修理后僅使用了3個月就出現10處泄漏，分析認為存在以下2種情況：①進口管板焊接質量也存在較大問題；②在現場條件下，管板和列管的焊接接頭質量較難保證，即100E8焊接接頭中難免存在焊接缺陷，其焊接殘余應力仍然較高，局部區域的材料性能仍然較差，所以進口管板同出口管板一樣很快出現了裂紋泄漏。
        通過1995年的反復修補，出口端管板上的較大裂紋已得到修補，焊接質量差(殘余應力高、材料力學性能差)的區域被發現和修理，所以1995年以后，出口端管板列管焊接接頭沒有出現泄漏現象。而進口端列管與管板焊接接頭存在的裂紋等缺陷沒有得到充分暴露，焊接質量較差(但比1994年的出口端管板列管焊接接頭質量好)的區域沒有得到修理，在以后的使用中，在低周疲勞載荷的作用下，在溫度和環境的共同作用下，裂紋逐漸擴展延伸導致穿透，造成進口管板泄漏。
        2.4水壓試驗泄漏分析
        2000年8月大修，在水壓試驗過程中，進行聲發射檢測時，發現進口管板多處泄漏。在拆卸耐火層時，未發現明顯泄漏痕跡。對上述現象的分析如下：
        水壓試驗造成管板原有裂紋擴展泄漏的可能性較小。原因為：聲發射沒有觀測到裂紋擴展跡象；聲發射是非常靈敏的裂紋擴展檢測手段。為什么工作條件下，沒有發現明顯泄漏，在水壓試驗時發現泄漏？
        1）有穿透裂紋存在時，不一定就會泄漏(或有明顯泄漏)，在工程中經常出現此種現象(比如在此次發現100E8泄漏后，重新加壓到8MPa才再次發現泄漏)。
        2）有穿透裂紋時，必須應力水平適當，穿透裂紋通道能夠張開，才會造成泄漏。
        3）在100E8工作條件下，列管溫度比殼體溫度高，列管的膨脹量比殼體大，造成管板在承受壓力載荷的基礎上，還要承受溫度載荷造成的彎矩，造成管板額外向水側彎曲，管板在水側應力小，在管板中穿透裂紋在接近水側處不易張開，穿透裂紋的水泄漏通道不能形成，所以在工作條件下沒有觀測到明顯泄漏。
        4）在水壓試驗條件下，管板不承受溫度載荷造成的彎矩，穿透裂紋泄漏通道容易打開，但也要水壓試驗壓力足夠高才能打開泄漏通道。穿透裂紋形成后，在交變載荷作用下裂紋繼續擴展，當裂紋擴展到一定程度后，才形成泄漏。1995年大修時在100E8管板表面上發現的裂紋都較長(大多數在20mm以上)，不同于2000年大修水壓試驗時在管板表面上發現的點狀裂紋，這個現象表明上述分析的合理性。
        3 結論
        通過對合成氨二段轉化廢熱鍋爐列管、進出口管板泄漏現象分析，認為導致100E8失效的根本原因是水質、列管溫度和水的局部循環狀態共同作用下產生的大面積結垢和嚴重腐蝕穿孔。因爐水長期呈酸性和雜質較多，在管壁溫度高的情況下，發生酸性腐蝕和結垢。更換列管時，焊接質量差是造成100E8多次泄漏的根本原因。防止100E8失效的措施為：確保水質指標，只要加強脫鹽水、鍋爐給水、爐水按水質指標進行控制，運行時按照操作手冊要求，進行定期排污和連續排污，可避免發生列管穿孔泄漏；列管更換和泄漏檢修時，嚴格執行列管更換方案和檢修方案，注意取管順序和列管焊接順序，可降低管板焊接應力；熱處理時，嚴格按照熱處理曲線進行，防止發生加熱板斷電現象；運行期間，控制開車、停車速度，避免負荷出現大的波動。