CO變換裝置IP蒸汽廢鍋失效原因分析

楊 帆，趙寶寶

（神華寧夏煤業(yè)集團烯烴一分公司，寧夏銀川 750041）

CO變換裝置IP蒸汽廢鍋失效原因分析

楊 帆，趙寶寶

（神華寧夏煤業(yè)集團烯烴一分公司，寧夏銀川 750041）

主要從換熱器的檢查結(jié)果結(jié)合現(xiàn)場運行中振動、腐蝕、選材幾個方面分析其失效原因，同時通過設(shè)備的工藝設(shè)計有針對性的對其失效原因進行分析，并提出部分優(yōu)化措施。

CO變換；IP蒸汽廢鍋；失效；優(yōu)化

神寧集團50萬t/a煤基烯烴CO變換裝置IP蒸汽廢鍋E-35010A/B于 2011年5月投運，在后期換熱器拆檢時發(fā)現(xiàn)內(nèi)漏現(xiàn)象。管板表面100%PT檢測后發(fā)現(xiàn)管板與管束連接角焊縫處出現(xiàn)大面積裂紋，殼程充水試壓時裂紋處出現(xiàn)泄漏。在變換裝置每次的停車檢修過程中，都需對換熱器管板裂紋進行堆焊修復，但修復措施只能控制泄漏量，無法從根本上控制裂紋數(shù)量和內(nèi)漏問題，且堆焊修復后的管板會繼續(xù)出現(xiàn)裂紋，現(xiàn)裂紋已擴展至管束內(nèi)部，現(xiàn)鍋檢所已出具換熱器報廢報告。

1 IP蒸汽廢鍋E-35010A/B失效原因分析

1.1 換熱管與管板的連接處出現(xiàn)裂紋及失效分析

在換熱器拆檢過程中發(fā)現(xiàn)換熱管與管板連接部位即管頭產(chǎn)生大面積裂紋，裂紋長度3～5mm不等，集中分布在熱區(qū)及冷區(qū)中下部位，熱區(qū)裂紋數(shù)量預估計單個管板在4 000～5 000之間，冷區(qū)裂紋數(shù)量較熱區(qū)少一半左右。

換熱管和管板的連接處因焊后殘余應(yīng)力、溫差應(yīng)力集中、換熱器材料的差異等因素的存在，可能導致管頭與管板連接部位出現(xiàn)較大的殘余應(yīng)力。在殼程中壓鍋爐給水的沖擊振動和頻繁的開停車狀態(tài)下，管頭與管板連接處會出現(xiàn)應(yīng)力腐蝕、間隙腐蝕和振動性疲勞的破壞，且三者之間的相互作用會大大增加管頭焊縫的失效速度，最終導致管頭焊縫裂紋的出現(xiàn)。在頻繁的開停車過程中，由于厚管板（135mm）的溫度變化慢，換熱管的溫度變換快，在換熱管與管板連接處會產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力，當迅速停車或進氣溫度突然發(fā)生變化時，殼體膨脹節(jié)不能快速的作出徑向膨脹反應(yīng)，熱應(yīng)力的急劇增大而無法進行有效的膨脹釋放就會導致管板與換熱管在連接焊縫處發(fā)生破壞，這可能是管頭焊縫處出現(xiàn)裂紋的一個重要原因。

在前期運行不穩(wěn)定頻繁開停車過程中，換熱器管頭連接部位頻繁暴露在露點溫度下，酸性氯化物腐蝕溶液導致316L不銹鋼發(fā)生全面腐蝕和應(yīng)力腐蝕，加劇管頭表面裂紋出現(xiàn)的速度和數(shù)量。前期系統(tǒng)的頻繁開停車使316L不銹鋼發(fā)生全面腐蝕和應(yīng)力腐蝕是管頭出現(xiàn)裂紋的最主要原因。

1.2 管板臺肩與管箱連接處出現(xiàn)裂紋及失效分析

在拆檢換熱器過程中發(fā)現(xiàn)換熱器管板臺肩部位出現(xiàn)了環(huán)形裂紋，PT檢測檢查發(fā)現(xiàn)E-35010A管板臺肩處的熱區(qū)裂紋總長度2 120mm，冷區(qū)裂紋總長度1 025mm，E-35010B熱區(qū)管板臺肩裂紋總長度960mm，均為表面結(jié)構(gòu)不連續(xù)位置。在進行修復打磨時發(fā)現(xiàn)裂紋深度已擴展至基材部位。

316L不銹鋼在伸縮應(yīng)力及酸性氯化物腐蝕溶液腐蝕的共同作用下，會出現(xiàn)應(yīng)力腐蝕造成的開裂現(xiàn)象。應(yīng)力腐蝕與單純腐蝕引起的開裂或者純力學造成的開裂不同，應(yīng)力腐蝕開裂在腐蝕能力極低的介質(zhì)條件下也可以引起，頻繁開停車使316L不銹鋼不斷暴露在材料露點溫度下，通常材料的全面腐蝕現(xiàn)象可能很輕微，沒有任何變形預兆情況下，材料即發(fā)生突然的應(yīng)力開裂，所以應(yīng)力腐蝕開裂是管板臺肩出現(xiàn)裂紋的重要原因。另外，換熱器本體熱膨脹與管箱熱膨脹造成的徑向變形大小不一致（拉應(yīng)力），可能是導致管板臺肩處出現(xiàn)不連續(xù)環(huán)形裂紋的一個次要因素。

1.3 支座懸空和膨脹節(jié)失穩(wěn)

換熱器中部支座向冷區(qū)出現(xiàn)滑動，距離為15mm左右。冷區(qū)支座懸空，懸空高度20mm，滑動方向為朝向合成氣流向，滑動距離為25mm左右，且滑動端限位螺栓已全部斷裂。檢查膨脹節(jié)出現(xiàn)上窄下寬現(xiàn)象，冷區(qū)自膨脹節(jié)中心線開始呈上翹現(xiàn)象，膨脹節(jié)上下寬度極限偏差已超過15mm，屬于膨脹節(jié)嚴重失穩(wěn)狀態(tài)，即膨脹節(jié)已失效。

換熱器在原始開車過程中未將冷區(qū)滑動端限位螺栓松開，在開停車過程中膨脹節(jié)上下半部受熱或預冷均勻膨脹，因冷區(qū)滑動端限位螺栓限制，造成膨脹節(jié)下部徑向移動受限，管束徑向的膨脹應(yīng)力不能得到完全釋放，最終造成管頭焊縫開裂和冷區(qū)滑動端限位螺栓的斷裂，限位螺栓斷裂后，失穩(wěn)的膨脹節(jié)因已失去消除管束膨脹應(yīng)力能力，出現(xiàn)上下膨脹不規(guī)律，且隨管道應(yīng)力的伸縮最終在冷區(qū)部位向上翹起，支座懸空。滑動端的螺栓限制很可能是膨脹節(jié)失穩(wěn)的一個重要原因，而膨脹節(jié)的失穩(wěn)使管箱熱應(yīng)力、管道熱應(yīng)力與換熱器本體熱應(yīng)力集中爆發(fā)在管板臺肩處，導致管板臺肩處出現(xiàn)不連續(xù)的環(huán)形裂紋。

2 IP蒸汽廢鍋E-35010A/B的優(yōu)化措施

針對換熱器管束與管板連接部位的連接方式建議采用先焊后脹的順序，焊后需進行熱處理，利用機械液壓裝置進行脹接，換熱管伸出管板的尺寸適當加長。換熱管的材質(zhì)與管板的材質(zhì)盡可能的匹配或一致，這樣做的目的是為了消除不同材料接觸所形成的溫度和壓力載荷，有利于從根本上控制管程和殼程的腐蝕問題。管程材料硬度盡量小于管板的材料硬度，可以使管板與換熱管的脹接進行最佳組合。焊材和焊接質(zhì)量的控制也是不可忽略的因素。

應(yīng)力腐蝕的處理要求在工藝操作上要優(yōu)化開停車運行操作方案，盡量避免頻繁開停車，降低開停車中熱應(yīng)力集聚，避免316L不銹鋼材料暴露在應(yīng)力腐蝕開裂的工藝環(huán)境中，防止應(yīng)力腐蝕失效。在設(shè)備方面，可以從消除熱應(yīng)力著手，設(shè)計選型建議改為BKU型（釜式重沸器）的廢鍋形式來解決換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計問題，還可以通過材料的選擇，抑制介質(zhì)造成應(yīng)力腐蝕的能力，通過控制介質(zhì)流速和應(yīng)力釋放能力等方法來延長設(shè)備的使用壽命。

3 結(jié)論

綜上所述，可以看出IP蒸汽廢熱鍋爐的主要失效原因為膨脹節(jié)的失穩(wěn)、應(yīng)力腐蝕和管頭裂紋失效，進而造成管板表面大面積泄漏和管板臺肩處不連續(xù)環(huán)形裂紋，但膨脹節(jié)失穩(wěn)的根本原因是否是滑動限位鎖死造成還需進一步的探討分析。

換熱器的失效形式之間存在著復雜的關(guān)聯(lián)和影響，但選擇一個解決措施的平衡點來設(shè)計制造和標準的工藝操作運行是保證換熱器長期穩(wěn)定運行的重點。

Failure Reason Analysis of CO Converter IP Steam Waste Boiler

Yang Fan，Zhao Bao-bao

Mainly from the heat exchanger to check the results with the field operation of vibration，corrosion，material analysis of several aspects of the cause of failure，and the equipment design for the analysis of the cause of the failure，and puts forward some optimization measures.

CO transform；IP steam waste pot；failure；optimization

TQ546

A

1003–6490（2016）10–0061–02

2016–10–07

楊帆（1988—），男，寧夏靈武人，助理工程師，主要從事化工設(shè)備維護與維修的研究工作。