直插式合成廢鍋管板泄漏原因分析及處理措施

楊先林(四川綿竹川潤化工有限公司，四川 德陽 618200)

1 合成廢鍋基本情況

我公司年20萬噸/年合成氨裝置有一臺直插式三套管合成廢鍋Φ1 500/Φ2 300，管層設(shè)計壓力：22.0 MPa 、設(shè)計溫度460 ℃。實際運行工況合成塔出口：壓力15.0 MPa、氣體溫度420 ℃,氣體組分(V)%H2:50.71%;N2:17.13%; NH3:15.99%，CH4:11.33%，Ar:4.84%。管板材質(zhì)：12Cr2Mo1Ⅳ，厚度420 mm，換熱管材質(zhì)12Cr2Mo1，Φ45×4.5。

2 合成廢鍋管板泄漏及修復(fù)

2.1 合成廢鍋管板泄漏測試

(1)采用濕式流量計，測量水氣比，分析蒸汽冷凝水中氨氮濃度的方法來監(jiān)測廢鍋泄漏情況。經(jīng)監(jiān)測分析，蒸汽冷凝水中NH3含量約300 mg/L，水氣比約250，確認新建裝置投運8個月后合成廢鍋管板已出現(xiàn)泄漏，且泄漏趨勢隨時間逐漸加大。

2020年4月合成廢鍋大修前、后取樣分析檢測數(shù)據(jù)表，如表1所示。

表1 2020年4月合成廢鍋大修前、后取樣分析檢測數(shù)據(jù)表

(2) 在現(xiàn)場試壓，當(dāng)壓力1.0 MPa發(fā)現(xiàn)管板與換熱管管頭的焊縫出現(xiàn)大量細裂紋，水直接噴出。確認管板與管頭焊縫出現(xiàn)裂紋造成泄漏的主要原因。

2.2 合成廢鍋管板大修情況

先后經(jīng)歷現(xiàn)場大修、返廠大修、現(xiàn)場大修，大修質(zhì)量不理想，泄漏問題無法解決，最終更換設(shè)備。

2.2.1 第一次：現(xiàn)場大修及修后使用情況

使用磨光機磨掉管頭圓周有裂紋的焊縫，采用天然氣將管板加熱至200 ℃消氫后用Cr2Mo焊絲補焊，大量出現(xiàn)邊焊邊裂現(xiàn)象，又采用NiCr-3焊絲焊接邊焊邊裂現(xiàn)象相對減少，無法補焊的采用堵管，最終堵管27根，修補27根，整個過程歷時15天，現(xiàn)場根本無法保證焊接質(zhì)量[1]。

修復(fù)后投入使用，并繼續(xù)做泄漏監(jiān)測。設(shè)備運行20天后，再次出現(xiàn)泄漏。運行并持續(xù)監(jiān)測3個月，根據(jù)數(shù)據(jù)分析泄漏仍有增大趨勢，最終將設(shè)備拆卸返設(shè)備制造廠進行返修。

2.2.2 第二次：返廠大修及修后使用情況

設(shè)備制造廠將廢鍋換熱管全部取出，將管頭切除150 mm,并將管板表面車削10 mm，然后重新組裝，按焊接工藝焊接，并在焊后進行了熱處理，試壓合格。

設(shè)備回廠安裝投運30天后，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，出現(xiàn)泄漏，特別是負荷波動或開停車后，泄漏量會成倍增加，蒸汽中的氨含量較高，已危及安全生產(chǎn)。在持續(xù)運行3個月后，蒸汽冷凝液中 NH3含量已達到約4 300 mg/L，水氣比約35。

2.2.3 第三次：現(xiàn)場大修

因泄漏量大，危機安全生產(chǎn)，被迫于2020年4月又在現(xiàn)場進行一次管板大修，但泄漏量依然逐步增大，堅持生產(chǎn)等待新廢鍋回廠更換。

2.2.4 大修效果總結(jié)

經(jīng)歷三次大修，均在運行一段時間后就出現(xiàn)泄漏，且泄漏量逐漸加大，泄漏原因基本一致。盡管修復(fù)方案及質(zhì)量控制非常嚴謹，但材料經(jīng)過氫腐蝕后，CrMo鋼的焊接性能發(fā)生重大變化，能解決泄漏問題的概率極小，因此從便于修復(fù)的角度考慮，建議將材質(zhì)改為304不銹鋼為宜。

2.3 更換新廢鍋

最終選擇更換一臺新制造廢鍋設(shè)備。設(shè)備更換后運行至今15個月，經(jīng)持續(xù)監(jiān)測分析，蒸汽冷凝水中氨氮含量及水氣比未出現(xiàn)異常，廢鍋未出現(xiàn)泄漏。

3 氫腐蝕導(dǎo)致焊接性能差

(1)由于進合成廢鍋氣體組分(V)H2約為50.7%，氣體溫度約為420 ℃，壓力約為15 MPa左右，在高溫高壓高氫的苛刻工況下會發(fā)生氫腐蝕。

(2)氫腐蝕是在高溫高壓條件下，氫分子發(fā)生部分分解而變成氫原子或氫離子，并通過金屬晶格和晶界向鋼內(nèi)部擴散，侵入鋼中的氫與不穩(wěn)定的碳化物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成甲烷氣泡，并在晶間空穴和非金屬夾雜部位聚集，化學(xué)反應(yīng)如下：

而甲烷在鋼中的擴散能力很小，聚積在晶界原有的微觀孔隙內(nèi)，形成局部高壓，造成應(yīng)力集中，使晶界變寬，并發(fā)展成為裂紋，開始時是很微小的，但到后期，無數(shù)裂紋相連，引起鋼的強度、延性和韌性下降的同時發(fā)生晶間斷裂。由于這種脆化現(xiàn)象是發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的結(jié)果，具有不可逆的性質(zhì)，永久脆化現(xiàn)象[2]。

(3) 操作溫度越高或者氫的分壓力越大，發(fā)生高溫氫腐蝕的起始時間越早。氫分壓8.0 MPa是個分界線，低于此值影響比較緩和，高于此值影響比較明顯，操作溫度200 ℃是個臨界點，高于此溫度鋼材氫腐蝕程度隨介質(zhì)的溫度升高而逐漸加重。

4 優(yōu)化制造工藝

新廢鍋制造增加脹接工藝，運用脹接過程的超壓過載技術(shù)，通過對管與管板的環(huán)形焊縫進行復(fù)脹，造成應(yīng)變遞增而應(yīng)力不增加，即讓該區(qū)域處于屈服狀態(tài)，在焊縫的拉伸殘余應(yīng)力場中，留下一個壓縮殘余應(yīng)力體系。兩種殘余應(yīng)力相互疊加的結(jié)果，使其拉伸殘余應(yīng)力的峰值大減；二次應(yīng)變又引起應(yīng)力的重新分布，結(jié)果起到調(diào)整和均化應(yīng)力場的效果，最終將殘余應(yīng)力的峰值削弱到預(yù)定限度以下。脹接示意圖如圖1所示。

圖1 脹接示意圖

5 12Cr2Mo1材料特性

5.1 材料的化學(xué)成份和力學(xué)性能

12Cr2Mo1材料的化學(xué)成份如表2所示，力學(xué)性能見表3所示。

表2 12Cr2Mo1的化學(xué)成分(ASME標(biāo)準(zhǔn)要求) 單位：%

表3 12Cr2Mo1的力學(xué)性能

5.2 材料對制造工藝的影響

根據(jù)材料成份及力學(xué)性能分析，管板和換熱管材質(zhì)同為12Cr2Mo1，鉻鉬鋼焊接性能較差，淬硬傾向較大，焊接時在焊縫和熱影響區(qū)易形成馬氏體組織，且內(nèi)應(yīng)力很大，容易在焊縫熱影響區(qū)產(chǎn)生冷裂紋；管頭焊后熱處理過程中，在熱影響區(qū)的粗晶區(qū)易產(chǎn)生再生裂紋，因此焊接工藝和焊前焊后熱處理是確保質(zhì)量的關(guān)鍵。

6 嚴格控制熱處理工藝

6.1 焊前熱處理工藝

(1)12Cr2Mo1鋼的淬硬傾向較大，為防止冷裂紋產(chǎn)生，焊前整個管板必須250±10 ℃預(yù)熱，24 h連續(xù)焊接作業(yè)，焊后保溫降至常溫。

(2)加熱方法，管板外圓周采用三組電加熱帶纏繞密實，然后用100 mm厚的硅酸鋁巖棉包住加熱帶并捆扎結(jié)實，熱處理設(shè)備采用ZWK-360型智能溫控儀，控制溫升速度及溫度；管板采用天然氣加熱，設(shè)置四組燒嘴均布管板，用測溫槍檢測管板多點溫度保持均勻[3]。

(3)未焊接部分采用隔熱石棉布保溫防止焊工燙傷，焊接時先用測溫槍檢測焊接位置區(qū)域的溫度。由于焊接環(huán)境溫度高，防止?fàn)C傷，焊接工作由固定的專業(yè)的焊接技能高的2～3人24 h不間斷連續(xù)焊接作業(yè)。

6.2 管板焊后整體熱處理

(1)管板焊后整體入爐熱處理，其目的不僅是消除其殘余內(nèi)應(yīng)力，更重要的是改善其金相組織，降低焊縫和熱影響區(qū)的強度。焊后熱處理主控參數(shù)為升溫速率、熱處理溫度、恒溫時間和降溫速率。

(2)管箱管束組合件熱處理規(guī)范工藝：入爐溫度≤280 ℃，升溫速度≤55 ℃/h，恒溫溫度695±15 ℃，恒溫時間360 min，降溫速度≤55 ℃/h，出爐溫度≤280 ℃，嚴格執(zhí)行 GB 50235—2010 的相關(guān)規(guī)定。

7 結(jié)語

目前合成氨裝置同行業(yè)合成廢鍋使用過程中存在的主要問題在管板泄漏，究其原因在設(shè)備設(shè)計、制造、使用三個環(huán)節(jié)密不可分，必須高度重視。特別在使用過程中應(yīng)嚴格執(zhí)行操作規(guī)程，在開車、運行和停車時溫度波動應(yīng)緩慢，不能驟升驟降，防止溫度急劇變化。同時控制好合成塔出口溫度，廢鍋彈簧支座高度的檢查調(diào)整、液位控制、定期水質(zhì)檢驗，定期檢測漏。