合成氨中置鍋爐常見失效原因分析及改進措施探討

高源 胡培遠（陽煤集團淄博齊魯第一化肥有限公司，山東 淄博 255436）

合成氨中置鍋爐常見失效原因分析及改進措施探討

高源 胡培遠（陽煤集團淄博齊魯第一化肥有限公司，山東 淄博 255436）

氨作為一種重要的化工原料，在化肥、輕工、醫藥、制冷劑等領域有著極為廣泛的應用。合成氨是指在高溫高壓條件下，直接使用氫和氮原料合成氨的工藝，屬于一種無機化工流程。中置鍋爐是一種廢熱回收裝置，因此也被稱為廢熱鍋爐。筆者從中置鍋爐基本結構及工藝特點入手，就中置鍋爐常見失效問題及成因進行了分析和探討，并相應提出了幾點改進措施，以供相關單位參考。

合成氨；中置鍋爐；失效原因；改進措施；分析

工業合成氨工藝中，中置鍋爐是一種廢熱回收裝置，故而又被稱為廢熱鍋爐。中置鍋爐主要通過管程吸收氨合成塔產生的混合氣體的熱量，對殼程中的水進行加熱，以達到廢熱回收的目的。氨合成塔產生的混合氣體主要由N2、H2以及NH3等氣體組成，從氨合成塔出來時仍處于高溫高壓的狀態，經中置鍋爐回收后，可使合成氣有效降溫，同時利用余熱產生副產蒸汽。但在實際應用過程中，中置鍋爐失效問題時有發生。因此，對中置鍋爐失效問題及成因進行分析，并探討其改進措施，具有重要的現實意義。

1 廢熱鍋爐基本結構及工藝特點分析

（1）廢熱鍋爐基本結構

合成氨廢熱鍋爐結構屬于管殼式結構，通常具有兩種形式，其一是聯箱式，其二是管箱式。廢熱鍋爐殼體主要由Q345R材質制成，列管則主要由OCr18Ni9Ti或10MoWVNb材質制成，詳細結構如下圖所示。

圖一聯箱式廢熱鍋爐結構示意圖

（2）廢熱鍋爐工藝特點分析

由于廢熱鍋爐管程及殼程通過的介質不同，其工藝特點及相關要求也具有較為明顯的差異。廢熱鍋爐殼程通過的工藝介質以軟水和蒸汽為主，工作壓力不得高于2.7MPa，工作溫度不得高于225℃；廢熱鍋爐管程通過的工藝介質是N2、H2以及NH3組成的混合氣體，工作壓力不得高于32MPa，工作溫度不得高于375℃。

2 列管裂紋問題成因及控制措施分析

2.1 廢熱鍋爐列管裂紋故障成因分析

廢熱鍋爐列管裂紋問題多發生于列管設備彎頭處。如某公司廢熱鍋爐，設備規格為φ1400.0mm×14.0mm，有效換熱面積34.0m2，列管使用10MoWVNb材質制成，殼程使用Q345R材質制成。設備投用三年時間內，因列管彎頭裂紋導致的嚴重泄露故障6次，給企業的生產造成了巨大的不良影響；再如某公司廢熱鍋爐，設備規格φ1800.0mm×16.0mm，有效換熱面積108.0m2，列管使用10MoWVNb材質制成，殼程使用Q345R材質制成。該設備投入使用不足一年即發生換熱管泄露失效故障，維修檢查發現泄漏失效由于列管彎頭裂紋失效導致。

廢熱鍋爐列管裂紋故障成因，主要存在以下幾點可能：一，廢熱鍋爐制造過程中，使用的原始材料存在質量問題，包括化學成分不合格或存在超標缺陷等，導致的設備裂紋；二，設備使用過程中，受超壓、超溫條件影響，導致列管塑性變形超過列管承受極限導致的裂紋；三，廢熱鍋爐列管彎管處理中，產生的殘余應力導致列管彎頭存在細小缺陷。設備在實際生產應用過程中，受工作應力及熱應力影響，導致缺陷放大造成裂紋。

2.1.1 制造環節中的故障成因排查分析

上述故障實例中，廢熱鍋爐列管均選用10MoWVNb材質制成，這種材料是我國自主研發的一種特殊鋼材，具有抗氫腐蝕、耐熱等優點，尤其在高壓高溫條件下，具有良好的抗腐蝕性。故障實例一中的公司在發現設備裂紋故障后，及對故障列管材料進行了取樣分析，實驗結果顯示，故障列管中的S和P成分存在超標缺陷，故而初步判斷故障是由于材料質量問題導致的。

2.2.2 設備應用環節中的故障排查分析

上述實例中，兩個公司發現設備失效故障后，均對中央控制室中保存記錄的廢熱鍋爐工藝運行數據進行了分析，但均不存在超壓或超溫現象，可以排除受此影響造成設備失效的可能。隨后對設備中通過的水質進行了取樣檢查，實例二中的公司存在水質合格率頻繁波動的問題，相關人員又對故障列管進行腐蝕和結垢檢查，雖然發現列管表面存在一定的結垢問題，但程度較為輕微，故而排除水質影響的可能。

2.2.3 列管處理故障成因排查分析

上述故障實例中，廢熱鍋爐列管裂紋故障均發生于設備使用不久后，在故障檢查過程中，公司維修人員對其他未泄露設備進行了滲透檢測，檢測結果顯示，部分正常列管在彎頭處存在微小裂紋。發現裂紋后公司立即與設備制造廠家取得了聯系，聯合檢查后，判斷設備裂紋失效故障與換熱管冷彎處理有著直接的聯系。

2.2 列管裂紋故障控制措施分析

對于10MoWVNb材質制成的列管而言，加強設備材料質量及制造質量控制，是避免設備裂紋失效故障的重要渠道。尤其是換熱管彎頭部位，受冷彎處理工藝影響，彎頭處受到的應力最大，也最容易產生裂紋問題。

此外，就奧氏體不銹鋼制成的廢熱鍋爐而言，在水及蒸汽介質中，溶氧量和氯離子濃度也是相關企業需重點控制的指標，如列管表面存在點坑、縫隙等微小缺陷，就會導致氯離子的堆積，進而產生腐蝕裂紋等問題。通常情況下，腐蝕速率與溫度間有著一定的聯系，溫度越高腐蝕速率越快。此外，在氯離子含量相對較少的高溫水及熱水環境中，氧含量的高低也是影響應力腐蝕破裂的主要因素，因此，控制降低水介質的溶氧量，也可達到減緩應力腐蝕發展的目的。

3 筒體及封頭等部位裂紋失效故障及控制措施分析

部分廢熱鍋爐筒體裂紋產生于殼程液位以下區域的環縫處，且裂紋垂直于焊縫，裂紋形狀多表現為兩頭尖、中間粗，逐漸由焊縫向熱影響區發展，也就是典型的應力腐蝕裂紋。

有上文介紹可得，廢熱鍋爐殼程壓力承受標準為2.7MPa，依據無力矩理論分析可得，鍋爐的軸向應力應是環向應力的二分之一，而焊縫裂紋方向主要垂直于主應力方向，逐漸向母材區發展，并相應產生放射狀的二次裂紋。

廢熱鍋爐筒體裂紋的產生原因，主要分為以下幾種可能：一，設計因素影響。通常情況下，筒體裂紋故障與設備進水管的布置設計間有著一定的聯系，如進水管口設計位置過低，就可能受冷熱介質接觸產生的溫度應力影響，導致裂縫的產生。因此，在設備設計階段，應注意避免過低的進水管布置設計，同時避免進水管口與設備焊縫的直對設計；二，設備制造因素影響。設備制造質量不符合相關規范標準，是導致筒體裂紋的主要原因。因此，在設備制造過程中，除基礎的應力消除處理外，還應對設備進行全面的整體應力消除熱處理，以避免設備封頭位置存在應力殘余；三，使用因素影響。水質對于鍋爐的使用有著直接的影響，在廢熱鍋爐實際應用過程中，相關工作人員應重點加強水質的氯離子濃度和pH值控制，同時注意設備結垢清洗，以控制設備電化學腐蝕問題的發生。

4 結語

本文從廢熱鍋爐基本結構和使用工藝要求入手，就其常見失效故障進行了分析。總的來說，相關企業在廢熱鍋爐應用過程中，應全面加強設備質量控制和水質控制，規范使用操作，以避免失效故障的發生。

[1]崔娟,尤軒,王際隆等.合成氨中置鍋爐常見失效原因分析及改進措施[J].化肥設計,2016(03).

[2]王長生,焦興齊.中置鍋爐失效原因分析及修復[J].氮肥技術,2011(02).

[3]郭麗.鍋爐壓力容器失效分析[J].黑龍江科技信息,2012 (32).

[4]王嘉慧.鍋爐壓力容器安全閥裝置失效及處理方式解析[J].科技資訊,2016(29).

[5]劉國帥,李洋洪.40萬t／a合成氨裝置（美國二手設備）鍋爐給水泵打量不足原因分析及改進措施[J].化肥設計,2013(04).