3.5 Mt/a催化裂化裝置蒸汽發生器故障分析與處理

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(1.中圣科技(江蘇)有限公司， 江蘇 南京 210000；2.中國石油化工集團公司 金陵分公司， 江蘇 南京 210000)

某公司3.5 Mt/a催化裂化裝置中的熱交換器E206為分餾二中油蒸汽發生器，型號為BJS1600-3.9/4.9-989-9/25-6I。E206的作用是利用冷卻分餾塔二中段回流油獲得的熱能產生中壓蒸汽，設計產汽量為11.4 t/h，其基本參數見表1。

表1 蒸汽發生器E206基本參數

自催化裂化裝置2012年開工后，蒸汽發生器E206即頻繁泄漏，給裝置的平穩安全生產帶來了極大威脅，也造成了巨大的經濟損失。因此，對E206的泄漏原因進行分析，并提出有效的防護措施極為必要。

1 蒸汽發生器E206故障情況

1.1 泄漏情況

2012年3.5 Mt/a催化裂化裝置開工運行，1個月后E206即出現內漏，經返廠維修后再次投入使用。但在1個運行周期內又間斷泄漏過2次，為避免管束再次泄漏影響生產，管束堵漏后E206一直未處于滿負荷運行，直至2016-12檢修期間更換為新管束。

2017-02-27，E206出現上水量增大但發汽量并未增加，且出口溫度明顯降低的現象，由此判斷管束又發生了內漏。拆檢E206，浮頭墊片未見異常，殼程上水試壓到0.3 MPa即發現有5個管口焊縫處存在裂紋，且泄漏量較大。繼續提升熱交換器試壓壓力，管板表面出現大面積泄漏。

1.2 裂紋形貌

由于試壓過程中發現管口及管板大面積泄漏，因此對整個管板及管口焊縫表面進行滲透檢測，檢測情況見圖1。

從圖1可以看出，管口焊縫存在大量周向裂紋，局部裂紋擴展到管板孔橋，裂紋都是由管束側向管口側開裂，局部位置伴有明顯沖刷減薄現象，個別開裂部位管口與管板間隙處存在垢物。

2 蒸汽發生器E206泄漏原因分析

2.1 工藝運行情況分析

E206工藝流程簡圖見圖2。

圖1 E206管口焊縫滲透檢測情況

圖2 E206工藝流程簡圖

E206的管程介質為分餾二中油，操作溫度大約310 ℃，基本排除存在硫化物應力腐蝕開裂的可能性。E206殼程介質為除氧水和蒸汽混合物，呈堿性，存在堿脆風險，且裂紋都是由管束側向管口側開裂。因此，重點對E206殼程介質操作條件及成分進行分析。

檢查發現鍋爐V602液位控制平穩，未出現超標情況，水汽比操作正常，且V602定排、連排執行情況良好。對2017-01～2017-02-27，即E206新管束投用至發生內漏期間V602的水質進行分析，發現V602爐水pH值平均為9.26，磷酸根質量濃度平均為7.09 mg/L，均在合格范圍內。因此，基本排除鍋爐水質不合格導致腐蝕開裂的可能性。

2.2 縫隙內堿脆分析

E206出現裂紋或開裂的部位均位于管口焊縫或管板孔橋，且裂紋都是由管束側向管口側開裂，因此判斷為殼程介質導致的裂紋。殼程介質能進入焊接接頭部位也表明換熱管與管板脹接處脹接貼合不緊密，存在縫隙。

有關資料表明[1]，發生縫隙腐蝕較為敏感的縫隙寬度為0.025～0.1 mm，介質中存在OH-等敏感離子時更容易引起縫隙腐蝕。E206殼程介質為鍋爐水，鍋爐V602爐水中添加了Na3PO4進行水質處理，Na3PO4會產生水解而析出磷酸鹽沉積，反應如下[2]：

Na3PO4+H2O→Na2HPO4+NaOH

生成的Na2HPO4從鍋爐水中析出，NaOH留在鍋爐水中，并成游離態。換熱管束長期浸泡在pH值和溫度均較高的爐水中，若換熱管和管板脹接處存在縫隙(圖3)，隨著鍋爐水不斷受熱蒸發，水中堿性介質極易在這種不易流動的狹小縫隙中不斷富集濃縮，即使是濃度較小的堿液濃縮后也足以引起脆性開裂。同時管口焊縫處存在焊接應力，在堿性介質和焊接拉應力的共同作用下會產生應力腐蝕開裂[3-5]。因此，判斷管口焊縫及管板開裂的主要原因是換熱管與管板脹接處存在縫隙，縫隙內堿濃縮后引起了堿脆開裂失效。

圖3 換熱管與管板連接縫隙示圖

3 蒸汽發生器E206管束制造與改進

為避免新制造的E206管口或管板再次開裂，需要確保良好的焊接質量和脹接質量。脹接貼合緊密無間隙和焊后去應力退火處理是防止堿脆開裂的有效途徑?？紤]到E206的現場實際工況，需要局部改進管束制造技術，提高加工精度要求，并加強重點工序的質量控制。

3.1 管板與換熱管脹接質量控制

3.1.1脹接方式與要求

管束制造中最重要的工序之一是管子與管板的連接。根據E206的腐蝕情況和實際工況，對管束采用強度焊加貼脹的方法。相比于強度脹加密封焊，強度焊加貼脹適用的溫度和壓力更高，多用于設計壓力3.5 MPa以下和介質極易滲漏或對介質要求極嚴的工況，尤其是存在縫隙腐蝕的情況[6]。

脹接時采用液壓柔性脹接工藝，先焊后脹。相比機械脹存在的各管子脹度不一、貼合不均等問題，液壓脹脹接工藝具有使管壁受力均勻、軸向拉伸小、管板變形小、抗軸向拉脫力大和密封性可靠等特點，具有穩定的質量保證[7-8]。另外，為保證脹接質量，脹接前換熱管管頭250 mm范圍必須打磨光滑，不允許有鐵銹、油污、氧化層和毛刺等，打磨完畢后用清潔的抹布蘸丙酮清洗，管板管孔粗糙度必須達到要求，否則影響脹接質量。

3.1.2脹接工藝評定

脹管時欠脹會影響脹口的密封可靠性，過脹則有可能造成管壁減薄繼而導致管子破裂或管板變形，甚至使管板孔直徑變大。因此，脹接前應制定脹接工藝評定來確定適宜的脹接度。

脹接評定工藝采用的試樣為小管板及15段換熱管(?25 mm)，脹管機型號YEG-A，脹接液壓值分別為120 MPa、130 MPa、140 MPa、150 MPa、160 MPa。與管板同爐鍛造1塊DN200 mm、厚216 mm的試樣，鉆孔加工成小管板。將換熱管和管孔除銹、清理油污后，將換熱管插入管孔內編好序號進行脹接，管孔加工尺寸、粗糙度和換熱管伸出管板長度等嚴格按照制造要求執行。

每個液壓值脹3個換熱管，并做好標識，脹接后沿換熱管中心剖開試件，目測脹接貼合面是否貼合緊密無間隙、脹口管端有無裂紋或損傷。使用千分尺測量內徑，按式(1)計算的脹管率H在1%～1.15%。

H=[(d2-d1) -(DO-DW)]/DO×100%

(1)

式中，H為脹管率；d2為脹接之后實測管子內徑，d1為脹接之前管子內徑的算數平均值，DO為脹接之前管孔直徑的算數平均值，DW為脹接之前管子外徑，mm。

通過脹管率計算和貼合面觀察，確定脹接液壓值150 MPa時的脹接效果最好。不同脹接液壓值下脹接效果對比見圖4，正式脹接時脹接長度及前后間距要求見圖5。

圖4 不同脹接液壓值下現場脹接試樣剖管后貼合面情況

圖5 管板與換熱管正式脹接時脹接長度及前后間距要求

3.2 管板及折流板加工要求

原管束于2012年制造，加工制造標準采用的是GB 151—1999《管殼式換熱器》[9]，個別控制指標相比TEMA—2007《Standards of the Tubular Exchanger Manufactures Association》[10]規定的范圍寬，難以保證脹接質量。GB/T 151—2014《熱交換器》[11]中對換熱管加工精度，管板、折流板管孔配合精度的要求均有所提高，如Ⅰ級管束配合精度要求與TEMA—2007中的相當，Ⅱ級管束配合精度與GB 151—1999中Ⅰ級管束的配合精度相當，對管束脹接質量有更好的保證。因此新管束制造標準主要采用GB/T 151—2014，同時對個別指標提出高于GB/T 151—2014的控制要求。各標準對管子與管板孔間隙的要求見表2。

(1)管板管孔加工精度要求 管孔加工粗糙度會影響脹接時的貼合質量，因此選用數碼深孔鉆床進行管板的加工，并派專業技術人員進行質量監督，重點控制管板管孔加工粗糙度。在GB/T 151—2014的基礎上，將管板管孔的加工粗糙度Ra由Ra≤12.5 μm提高到Ra=3.2 μm，從而提高脹接的密封質量。

表2 不同標準對管子與管板孔間隙要求 mm

(2)折流板管孔加工精度要求 殼程介質為鍋爐水，通過管壁與管程二中油換熱后轉變為飽和中壓蒸汽。正常情況下，管束以固有頻率振蕩，但殼體內介質相變為蒸汽時會加劇管束的振動幅度，加速原有微小缺陷的擴展和縫隙的產生，也使焊接接頭處產生較大應力集中，增加應力腐蝕開裂的風險。因此，要將折流板管孔加工的誤差嚴格控制在0～0.3 mm內，且在折流板重疊鉆孔加工完畢后，選取孔徑較小的折流板安裝在靠近管板側，以最大程度降低管束振動對管板的影響[12-13]。

3.3 焊接及熱處理技術要求

換熱管與管板焊接采取強度焊。為保證焊接強度，管板處開45°坡口，坡口深2 mm。因換熱管的伸出長度不小于2.5 mm，故焊腳高度不低于4.5 mm。施焊前應進行焊接工藝評定，并按照工藝評定參數施焊。焊接前對管板孔及換熱管管頭進行粗糙度處理。采用自動氬弧焊進行焊接，焊接材料為?2.5 mm的TIG-J50，至少焊接2遍，頭層為打底焊，第二層為蓋面焊，焊接電流80～110 A，焊接電壓14～16 V，焊接速度3～6 cm/min，氬氣體積流量8 L/min。

堿開裂發生的主要原因之一是管口焊縫存在焊接應力。因此，在換熱管與管板脹接之前、焊接之后均要進行消除應力的處理，通常采用局部熱處理方法，并確保整個管板面加熱均勻。

3.4 焊接接頭檢測

在管束制造過程中，質量控制的一個關鍵點便是管子與管板焊縫的質量。根據熱交換器制造的相關技術標準和規范要求，目前主要采取磁粉或滲透方法進行檢測。而磁粉或滲透方法只能用于檢測焊縫表面缺陷，無法對焊縫內部缺陷進行檢測[14-15]。若焊縫中存在氣孔等缺陷，即便試壓時正常，投用一段時間后仍可能發生泄漏。因此，建議在熱交換器制造時采用射線檢測進行管口焊縫檢查。鑒于管口焊縫數量多、拍片成本高，可由業主選擇管口進行抽檢，以進一步提高管口焊接質量，降低管口焊縫的泄漏率。

4 結語

為了避免蒸汽發生器E206的管口和管板再次出現開裂，在制造新管束時，可以通過加強管板與換熱管脹接質量控制，提高熱交換器的精度要求，提高管板、折流板管孔加工精度，提高焊接、熱處理控制要求以及加強各環節質量控制與檢驗等措施，消除脹接間隙，減小應力，從而提升管束整體制造質量。新制造的管束于2017-06試壓正常后投入使用，截至目前運行正常，實際發汽量約為8 t/h，為設計負荷的71%。

為保證E206安全穩定運行，建議日常生產中繼續加強鍋爐水質分析，配合公用工程做好磷酸根含量和pH值控制，減少NaOH的生成。日常操作應平穩，應提高殼程水循環倍率，使鍋爐給水快速補入E206，避免蒸汽快速蒸發和雜質沉積，以提供更可靠的運行工況。