鍋爐給水預熱器滲漏原因分析

羅傳武

（中海石油建滔化工有限公司）

中海石油建滔化工有限公司日產(chǎn)2kt 甲醇裝置采用德國LURGI 公司低壓合成甲醇生產(chǎn)工藝， 其中的高壓鍋爐給水預熱器 （E-01005）于2006 年投用， 設備采用U 形管換熱器、 立式布置， 在運行過程中，E-01005 殼體發(fā)生滲漏現(xiàn)象，嚴重影響了裝置的安全生產(chǎn)。 為此，筆者結合設備結構、材料和工藝，初步分析了滲漏原因。

1 工藝簡介

高壓鍋爐給水預熱器（E-01005）為LURGI 公司低壓合成甲醇生產(chǎn)工藝轉化部分的預熱回收設備。 來自蒸汽轉化爐（B-01001）轉化氣（880℃、2.05MPa）以309.27Nm3/h 速度依次通過廢熱鍋爐（E-01003）、天然氣預熱器（E-01004），加熱鍋爐水和天然氣，轉化氣參數(shù)變?yōu)?28℃、1.99MPa，然后通過E-01005 將來自高壓鍋爐給水泵（P-01501A）120℃的鍋爐水加熱到245℃， 而轉化氣自身的溫度降到151℃。 高壓鍋爐給水預熱器工藝參數(shù)見表1。

2 問題描述

2013 年9 月，工藝反映可能有來自高壓鍋爐給水預熱器E-01005 的鍋爐水泄漏到轉化氣中，2014 年10 月18 日工藝巡檢發(fā)現(xiàn)E-01005 殼體外部保溫層處出現(xiàn)滲水現(xiàn)象，將保溫層拆除后發(fā)現(xiàn)在入口管箱縱向焊縫處有泄漏，目視該焊縫熱影響區(qū)存在一條可見裂紋（圖1），裝置緊急停車、置換交出檢修。

2014 年10 月18 日 停 車 檢修，20 日 開 始 從筒體外壁對焊縫做100%超聲波、磁粉探傷，未發(fā)現(xiàn)其他缺陷，于是決定將原裂紋打磨后開始補焊修復。 經(jīng)過打磨，發(fā)現(xiàn)在裂紋延伸方向一直有裂紋，一直磨到約700mm 長（圖2）。 裂紋上部直到管箱筒體的環(huán)焊縫， 且沿著環(huán)焊縫上繼續(xù)打磨，還有裂紋； 在垂直于縱向裂紋的方向也有裂紋，最長的達200mm（圖3）。

表1 高壓鍋爐給水預熱器工藝參數(shù)

圖1 管箱泄漏的縱焊縫

圖2 管箱筒體打磨后的縱焊縫與環(huán)焊縫

圖3 管箱筒體上垂直于縱焊縫的橫裂紋

管箱內(nèi)部檢查，在不銹鋼襯里上發(fā)現(xiàn)大量龜裂紋（圖4），在管板與筒體的環(huán)焊縫上也有裂紋，局部打磨補焊的方案改為挖補（圖5），繼續(xù)打磨后確定挖補范圍是700mm×800mm， 筒體其他部位裂紋（細小裂紋深度大約5～7mm）打磨修補。管板堆焊層與換熱管裂紋如圖6、7 所示。

圖4 管箱內(nèi)部復板裂紋

圖5 筒體裂紋挖補方案

圖6 管板堆焊層裂紋

圖7 換熱管裂紋

3 原因分析

高壓鍋爐給水預熱器E-01005 于2006 年投用，2010 年裝置大修期間定期檢驗未發(fā)現(xiàn)異常，2013 年1 月大修期間宏觀檢查未發(fā)現(xiàn)異常。該設備的管箱采用爆炸復合板， 基板材料為15CrMoR，厚22mm，復板材料為0Cr18Ni10Ti，厚3mm。 管板材料為12Cr2Mo1 Ⅳ，厚392mm；堆焊層材料為0Cr18Ni10Ti，厚8mm。

當換熱管先于管箱開裂導致高壓鍋爐水泄漏時，從換熱管泄漏至管箱的高壓水接觸到管箱內(nèi)壁時，造成復板和基板之間瞬態(tài)溫差，產(chǎn)生的熱應力超過材料的強度極限， 導致萌生裂紋，有多條裂紋同時產(chǎn)生、擴展匯合，使管箱復板產(chǎn)生大面積龜裂紋；在復板裂紋尖端局部應力集中處裂紋擴展至基板，致使基層材料也出現(xiàn)裂紋。

經(jīng)觀察， 基板泄漏是從管箱的縱焊縫開始的， 基板焊縫和熱影響區(qū)是抗氫蝕的薄弱部位，焊縫對氫蝕的敏感均比母材高，氫分子尤其是氫原子有很高的擴散率，在300℃時，鐵晶格中擴散率近14-4cm2/s，在高溫時由于氫分子的分解，焊接質量不高的焊縫處的氣孔、不連續(xù)處和夾雜物就成為氫和甲烷聚集的場所，由于甲烷不能從鋼中擴散出去，所以在內(nèi)部形成高壓，在焊縫不夠致密處造成裂紋（圖1）。

由于換熱管已經(jīng)泄漏，因此管箱內(nèi)的環(huán)境為濕的腐蝕性氣體，氫氣在此環(huán)境中經(jīng)過電化學反應生成氫原子， 這些氫原子滲透到鋼中之后，使鋼材晶粒間的原子結合力降低，即發(fā)生氫脆（一次脆化、可逆），破壞了鋼的晶格。 進而在高氫分壓的狀態(tài)下，氫原子和氫分子通過晶格和晶間向內(nèi)擴散，這些氫與鋼中的碳化物（滲碳體）發(fā)生化學反應生成甲烷（Fe3C＋2H2→3Fe＋CH4），造成鋼內(nèi)部脫碳，甲烷氣體不能從鋼中擴散出去而聚集在晶間形成局部高壓，造成應力集中，晶間變寬，致使產(chǎn)生微小裂紋（氫致裂紋），即發(fā)生氫蝕（不可逆、材料脆化），隨著時間的延長，這些裂紋逐漸相連，使鋼材的強度和韌性下降而失去原有的塑性而變脆。

4 結論及建議

經(jīng)分析，預熱器滲漏的原因是發(fā)生氫蝕（不可逆、材料脆化），致使產(chǎn)生微小裂紋（氫致裂紋）。 為此，針對后續(xù)生產(chǎn)提出以下建議：

a. 現(xiàn)有檢漏閥門不能關閉，建議引至高處放空。 減少泄漏氣體在304 貼襯板與管箱母材之間的積聚，產(chǎn)生額外的應力、加劇襯里新焊縫的損壞、進而加劇母材（15CrMoR）的氫蝕。

b. 管箱母材（15CrMoR）的強度已經(jīng)有所下降，不符合GB/T 150/151 標準的要求，但是生產(chǎn)還要繼續(xù)， 為解決合規(guī)使用和安全使用問題，建議請專業(yè)技術機構做合于使用的評價。

c. 壓力容器的維修單位在維修施工前未及時辦理維修告知及申請監(jiān)督檢驗，說明壓力容器的安全監(jiān)督、檢驗有待加強，使用單位的督促力度有待提升。

d. 為盡快恢復生產(chǎn)，壓力容器管板、管箱裂紋未處理完畢，維修后未進行耐壓試驗就匆忙投入使用，反映使用單位壓力容器的使用管理法律意識有待提升、安全意識有待落實。