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，管層設計壓力：22.0 MPa 、設計溫度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：12Cr2Mo1Ⅳ，厚度420 mm，換熱管材質12Cr2Mo1，Φ45×4.5。

2 合成廢鍋管板泄漏及修復

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測廢鍋泄漏情況。經監測分析，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、后取樣分析檢測數據表，如表1所示。

表1 2020年4月合成廢鍋大修前、后取樣分析檢測數據表

(2) 在現場試壓，當壓力1.0 MPa發現管板與換熱管管頭的焊縫出現大量細裂紋，水直接噴出。確認管板與管頭焊縫出現裂紋造成泄漏的主要原因。

2.2 合成廢鍋管板大修情況

先后經歷現場大修、返廠大修、現場大修，大修質量不理想，泄漏問題無法解決，最終更換設備。

2.2.1 第一次：現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，大量出現邊焊邊裂現象，又采用NiCr-3焊絲焊接邊焊邊裂現象相對減少，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，現場根本無法保證焊接質量[1]。

修復后投入使用，并繼續做泄漏監測。設備運行20天后，再次出現泄漏。運行并持續監測3個月，根據數據分析泄漏仍有增大趨勢，最終將設備拆卸返設備制造廠進行返修。

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。

設備回廠安裝投運30天后，根據監測數據分析，出現泄漏，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。在持續運行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：現場大修

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

2.2.4 大修效果總結

經歷三次大修，均在運行一段時間后就出現泄漏，且泄漏量逐漸加大，泄漏原因基本一致。盡管修復方案及質量控制非常嚴謹，但材料經過氫腐蝕后，CrMo鋼的焊接性能發生重大變化，能解決泄漏問題的概率極小，因此從便于修復的角度考慮，建議將材質改為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備。設備更換后運行至今15個月，經持續監測分析，蒸汽冷凝水中氨氮含量及水氣比未出現異常，廢鍋未出現泄漏。

3 氫腐蝕導致焊接性能差

(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生氫腐蝕。

(2)氫腐蝕是在高溫高壓條件下，氫分子發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部擴散，侵入鋼中的氫與不穩定的碳化物發生化學反應，生成甲烷氣泡，并在晶間空穴和非金屬夾雜部位聚集，化學反應如下：

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，形成局部高壓，造成應力集中，使晶界變寬，并發展成為裂紋，開始時是很微小的，但到后期，無數裂紋相連，引起鋼的強度、延性和韌性下降的同時發生晶間斷裂。由于這種脆化現象是發生化學反應的結果，具有不可逆的性質，永久脆化現象[2]。

(3) 操作溫度越高或者氫的分壓力越大，發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的溫度升高而逐漸加重。

4 優化制造工藝

新廢鍋制造增加脹接工藝，運用脹接過程的超壓過載技術，通過對管與管板的環形焊縫進行復脹，造成應變遞增而應力不增加，即讓該區域處于屈服狀態，在焊縫的拉伸殘余應力場中，留下一個壓縮殘余應力體系。兩種殘余應力相互疊加的結果，使其拉伸殘余應力的峰值大減；二次應變又引起應力的重新分布，結果起到調整和均化應力場的效果，最終將殘余應力的峰值削弱到預定限度以下。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 材料的化學成份和力學性能

12Cr2Mo1材料的化學成份如表2所示，力學性能見表3所示。

表2 12Cr2Mo1的化學成分(ASME標準要求) 單位：%

表3 12Cr2Mo1的力學性能

5.2 材料對制造工藝的影響

根據材料成份及力學性能分析，管板和換熱管材質同為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易形成馬氏體組織，且內應力很大，容易在焊縫熱影響區產生冷裂紋；管頭焊后熱處理過程中，在熱影響區的粗晶區易產生再生裂紋，因此焊接工藝和焊前焊后熱處理是確保質量的關鍵。

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，為防止冷裂紋產生，焊前整個管板必須250±10 ℃預熱，24 h連續焊接作業，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實，熱處理設備采用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域的溫度。由于焊接環境溫度高，防止燙傷，焊接工作由固定的專業的焊接技能高的2～3人24 h不間斷連續焊接作業。

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應力，更重要的是改善其金相組織，降低焊縫和熱影響區的強度。焊后熱處理主控參數為升溫速率、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 ℃，嚴格執行 GB 50235—2010 的相關規定。

7 結語

目前合成氨裝置同行業合成廢鍋使用過程中存在的主要問題在管板泄漏，究其原因在設備設計、制造、使用三個環節密不可分，必須高度重視。特別在使用過程中應嚴格執行操作規程，在開車、運行和停車時溫度波動應緩慢，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整、液位控制、定期水質檢驗，定期檢測漏。