轉化氣余熱鍋爐管板角焊縫裂紋故障分析及處理

江紅偉，袁耀如

(中海油氣(泰州)石化有限公司，江蘇 泰州 225321)

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轉化氣余熱鍋爐管板角焊縫裂紋故障分析及處理

江紅偉，袁耀如

(中海油氣(泰州)石化有限公司，江蘇 泰州 225321)

介紹了轉化氣余熱鍋爐管板角焊縫裂紋情況。結合工作條件，從管板結構、管子和管板連接方式、襯里及施工等方面分析了故障產生的原因。結果表明：設備制造過程、襯里材料及施工等因素是造成焊縫裂紋的主要因素。采取了相應措施進行故障修復，特別是焊前預熱、焊后消氫處理，達到了預期的修復效果。對同類設備的設計、制造過程控制提出了建議。

轉化氣余熱鍋爐 角焊縫 消氫處理

1 概 況

轉化氣蒸汽發生器是制氫裝置的關鍵設備之一，它的狀況直接影響到裝置的正常運行[1]。某廠制氫裝置開工過程中，轉化氣余熱鍋爐經過了8 d的烘爐階段，烘爐期間管程介質入口最高溫度為488.6 ℃，最高壓力2.97 MPa；殼程介質最高溫度268.3 ℃，最高壓力1.23 MPa。在檢查過程中，發現余熱鍋爐高溫端管束處出現大量泄漏，襯里有部分粉化、破碎現象。拆除襯板、襯里，對進口端管板管頭進行滲透探傷(PT)，檢測出75處裂紋，進行水壓試驗又發現4處泄漏點，合計發現79處管板角焊縫裂紋。管板角焊縫裂紋外觀見圖1，管板角焊縫裂紋分布情況見圖2。裂紋的形貌為管頭徑向開裂，并向鋼管的軸向延伸，管板管孔處沿坡口的徑向放射狀裂紋，長度8～14 mm。

圖1 管板角焊縫裂紋外觀

2 余熱鍋爐的結構

在催化劑作用下，精制后原料氣在轉化爐管內與蒸汽發生強吸熱氫解反應，生成H2，CO，CO2和殘余甲烷。離開轉化爐管的轉化氣溫度860 ℃、壓力2.67 MPa，進入轉化氣余熱鍋爐管程，與殼程鍋爐給水換熱發生3.5 MPa的中壓蒸汽，換熱后轉化氣溫度為340～360 ℃，進入中溫變換反應器。轉化氣余熱鍋爐的結構為固定管板式(撓性設計)，結構簡圖見圖3。

圖2 角焊縫裂紋分布

該轉化氣余熱鍋爐屬于Ⅱ類壓力容器，殼程殼體材質15CrMoR；撓性管板材質15CrMoR，厚度48 mm，管板直徑1 800 mm；換熱管材質15CrMo，尺寸為φ38 mm×4.5 mm×6 000 mm，合計498根。設計參數見表1。

圖3 余熱鍋爐的結構

表1 余熱鍋爐設計參數

3 故障原因分析

3.1 管板結構

據統計，國內目前使用的轉化氣余熱鍋爐管板厚度大多為30 mm左右，該設備管板直徑1 800 mm、厚度為48 mm，厚度大的管板在操作中會產生巨大的熱應力[2]。因為在操作溫度下，管板兩面受熱不同，因而產生溫度差，這種溫差隨著厚度增加相應增大。巨大的熱應力也是管束角焊縫裂紋的誘因之一。

建議余熱鍋爐采用厚度30 mm左右的薄管板結構，滿足強度和剛度要求，具有良好的導熱性能和撓性。

3.2 管束與管板連接形式

該設備管束與管板連接形式采用強度焊加強度脹，見圖4。這種結構形式使焊縫處于高溫區，受襯里和襯管施工質量的影響，容易受到熱沖擊而產生裂紋。建議余熱鍋爐管束與管板連接采用深孔焊，焊縫距管板端面距離最小為30 mm,這種結構將焊縫置于低溫區，避免焊縫受到熱沖擊。

圖4 管束與管板連接形式

3.3 襯里與襯管的熱膨脹

該設備襯里采用Al2O3澆注料，襯管采用Incoloy800H，兩種材料的線膨脹系數相差很大。由于線膨脹量不同，長期受熱時容易產生裂紋，導致局部高溫。因此，建議余熱鍋爐襯管采用陶瓷套管結構。

3.4 襯里材料及施工

該設備入口筒體內襯采用Al2O3澆注料，筒體處150 mm，管板處為150 mm。檢查發現管板處部分襯里已經粉化、脫落，部分裂紋寬度2～3 mm，襯里與襯管間存在約1 mm間隙。說明該襯里與襯管線膨脹量不一致，導致襯管與襯里之間形成裂紋。

設計要求溫度(500±20)℃時襯里導熱系數不大于0.35 W/(m·K)，而很多襯里廠家的襯里導熱系數(800 ℃)不大于0.8 W/(m·K)，達不到設計要求。因此，管板處襯里計算應采用襯里廠家的數據進行校核。

襯里施工在制造廠家完成。在襯里施工期間，如果處理倉促或手段不足，容易在襯里層和設備本體之間形成縫隙；襯管在襯里施工過程中容易偏移，導致襯管和換熱管不同心或相碰，為安全生產留下隱患。因此，應加強襯里施工質量控制，襯管陶纖維紙施工是設備制造的重點控制點。

另外，該設備襯里施工完后，未在廠家進行350 ℃預烘干，襯里中水分未有效去除。設備運到現場后，又經歷一個寒冬(當地最低溫度-11 ℃),襯里凍結是襯里部分粉化的主要原因。

4 設備修復

考慮到該設備的采購周期在5個月以上，采購新設備將對生產造成嚴重影響，決定按原制造方案進行修復處理。考慮到工期，修復方案為管板修復利用，換熱管全部更換，以下是幾個關鍵控制點。

(1)鉻鉬鋼焊接預熱溫度大于150 ℃。用石棉氈將換熱管孔堵上，減少熱量流失；20 min測溫一次，控制預熱溫度大于150 ℃。

(2)采用角向修磨方式清除前管板發現的裂紋，補焊并進行消氫熱處理。

(3)筒體坡口補焊，要求層間溫度為150～300 ℃。

(4)殼體整體熱處理。

(5)設備整體進行水壓試驗。

(6)管板襯里重新澆鑄，加強襯里施工和襯管陶纖維紙施工質量的檢查，消除周邊縫隙。

(7)襯里在制造廠家進行350 ℃預烘干。

5 結束語

該設備經過修復處理后進行氣密性檢驗，合格后投入運行。設備在投用初期采用降壓措施，減小管殼程的壓力差，改善管板的操作環境。目前，修復后的設備投用7個月，運行正常。

(1)修復后的設備運行情況說明，修復方案和焊接工藝合理、可行。焊前預熱、焊后消氫處理，可以有效地消除工件上的氫，防止在打磨及焊接過程中產生裂紋。

(2)余熱鍋爐應采用厚度30 mm左右的薄管板結構，既滿足強度和剛度的要求，又具有良好的導熱性能和撓性。

(3)余熱鍋爐管束與管板連接形式應采用深孔焊，焊縫距管板端面距離最小為30 mm。

(4)余熱鍋爐襯管宜采用陶瓷套管結構。

(5)管板處襯里計算應采用襯里廠家數據進行校核。

(6)應加強襯里施工質量和預烘干質量檢查及控制。

[1] 王樹德，張紹良.制氫裝置轉化氣蒸汽發生器存在問題及分析[J].石油煉制與化工，2005，36(8):27-30.

[2] 黎延新.橢圓管板廢熱鍋爐的結構、強度與使用[J].化工煉油機械通訊，1975(1):8-37.

(編輯 王維宗)

Fault Analysis and Treatment on Tube Plate Angle Weld Crack of Conversion Gas Waste Heat Boiler

JiangHongwei,YuanYaoru

(CNOOCTaizhouPetrochemicalCo.,Ltd.,Taizhou225321,China)

The situation of tube plate angle weld crack of conversion gas waste heat boiler was introduced. Combined with working conditions, causes of the failure were analyzed from the aspects of tube plate structure, connection mode between tube and tube plate, lining and construction. The results showed that factors such as equipment manufacturing process and lining material construction were the main reasons for weld crack. Some targeted repair plans were adopted and achieved the desired effects, such as preheating before welding and dehydrogenation treatment. Meanwhile, reasonable suggestions on similar equipment design and manufacturing process have been provided.

conversion gas waste heat boiler, fillet weld seam, dehydrogenation treatment

2016-12-25；修改稿收到日期：2017-03-04。

江紅偉(1977—)，本科，高級工程師，長期從事石油化工設備技術管理工作。E-mail：836701869@qq.com