合成氨二段转化废热锅炉失效分析

        1 概述
        建峰化工总厂化肥厂大型化肥装置合成氨二段转化废热锅炉（100E8），由法国BABCOKE公司设计制造，其形式为自然循环卧式火管锅炉，列管404根（每根列管入口都有1个火嘴）,正中央有一根旁路管。100E8主要材质见表1。运行时，工艺气为转化气，气体流量为159592 kg/h,入口温度为869℃，压力2.96MPa。水侧给水为10004 kg/h，排污1010 kg/h。水侧温度：锅炉给水入口303℃，出口为331℃，入口压力为12.93Mpa(G),出口压力为12.8MPa(G),总交换热量129.83GJ/h。100E8失效历程见表2。

    表1  100E8主要材质

        2 失效原因分析
        2.1列管穿孔泄漏
        100E8于1993年6月投产运行，1994年2月第1次出现失效现象，表现为92根列管在进口侧距管口100mm～200mm处穿孔泄漏。
        此次失效的直接原因是水质问题[1]，而失效特征则表现为水质、列管温度和水的局部流动性共同作用下的局部严重腐蚀穿孔和大面积结垢。失效特征和原因可以分为下列5种情况：
        1）炉水长期呈酸性，酸性溶液与金属反应而造成酸性腐蚀，表现为腐蚀发生在高温区[2]（火嘴喷出口）。
        2）炉水杂质较多，硬度较高，在列管外壁易于结垢，表现为各列管外壁结垢的普遍存在。
        3）管壁温度越高，越有利于结垢和发生酸性腐蚀，表现为列管高温区穿孔。100E8的列管在高温气进口附近温度最高，可以判断列管在这样的区域腐蚀速度更快，如L－6、S－8、T－14和E－13等列管在这样的区域率先腐蚀穿孔。

表2   100E8失效历程

        4）在列管周围水越不宜流动，局部腐蚀介质浓度越高，也就越易形成列管的局部严重腐蚀区。列管在高温气出口附近，由于靠近管板，该处局部水的流动性较差，也易出现较严重的腐蚀，如列管S－8在高温气出口附近出现黑色团块。另一个典型的例子是在中部支承板处，水局部流动性差，列管易出现较严重的腐蚀，如S－8、T－14、E－13等在此处出现环状腐蚀区。      
        5）在高温和水流动性差共同作用下，最易发生腐蚀穿孔。100E8列管的高温区和水流动性差的区域重叠的部分在列管高温区进口附近，在这样的区域腐蚀最严重，表现为列管在此区域穿孔。如L－6、S－8、T－14和E－13等列管在这样的区域率先腐蚀穿孔。    
        2.2进出口管板大量泄漏
        更换列管后运行3个月，进出口管板大量泄漏。由于水质已经得到有效控制，在如此短的时间内就出现泄漏，且100E8运行时间很短，因此可以排除腐蚀因素，主要是开车时，难免有冲击载荷存在，造成部分固有大裂纹的扩展和穿透；在疲劳载荷作用下，大裂纹发生低周疲劳扩展穿透管板或管壁；在残余应力、工作应力和温度的作用下，焊接接头内的氢原子向应力集中区和焊接接头中的微观缺陷区集中。
        而上述3种情况发生的前提条件是：大量列管角焊缝的焊接接头存在较大的修理裂纹(指在修理过程中产生的裂纹)；1994年换管时造成的焊接残余应力很大；焊缝区材料断裂韧性较差。由于存在着不可避免的焊接残余应力(达到或超过焊缝区材料的屈服强度)，同工作应力叠加后，局部应力会很大，如果焊缝材料的韧性较差，那么修理裂纹就会扩展，造成管板泄漏。
        1995年1月修理时大量出现焊好一根列管时，该列管周边列管的焊缝区就出现穿透裂纹的现象，分析认为有以下4种原因：① 周边列管的焊缝区原先就存在较多微裂纹；② 在许多列管的焊缝区存在裂纹；③ 补焊时在周围列管焊缝区造成的焊接温度应力很大；④ 焊缝区材料断裂韧性较差。当前3个原因存在时，就会大量出现边补焊边泄漏的现象。当第4个原因也存在时，更易于出现边补焊边泄漏的现象。因此，由焊接造成很大的温度应力，造成了较大裂纹和残余应力较高区域的暴露，即造成了边补焊边泄漏。
        2.3 进出口管板比较
        1995年1月发现出口管板裂纹远多于进口管板，其比较分析如下：焊接接头的质量由焊接残余应力、焊接接头力学性能决定，在其他条件相同时，焊接后热处理是消除焊接接头的焊接残余应力、改善组织和保证焊接接头力学性能的关键。由现场得知1994年更换列管热处理时，在出口管板出现过加热垫断电，即热处理中断的现象，造成出口管板部分区域热处理质量差，焊接接头的焊接残余应力没有彻底消除，应力集中程度高，材料断裂韧性差，在工作应力和温度共同作用下，在出口管板焊接接头上裂纹更容易萌生和发展，出口管板比进口管板易于泄漏。
        进口端管板有10处泄漏裂纹，同出口端相比较少，但是如果仅就进口管板而言，修理后仅使用了3个月就出现10处泄漏，分析认为存在以下2种情况：①进口管板焊接质量也存在较大问题；②在现场条件下，管板和列管的焊接接头质量较难保证，即100E8焊接接头中难免存在焊接缺陷，其焊接残余应力仍然较高，局部区域的材料性能仍然较差，所以进口管板同出口管板一样很快出现了裂纹泄漏。
        通过1995年的反复修补，出口端管板上的较大裂纹已得到修补，焊接质量差(残余应力高、材料力学性能差)的区域被发现和修理，所以1995年以后，出口端管板列管焊接接头没有出现泄漏现象。而进口端列管与管板焊接接头存在的裂纹等缺陷没有得到充分暴露，焊接质量较差(但比1994年的出口端管板列管焊接接头质量好)的区域没有得到修理，在以后的使用中，在低周疲劳载荷的作用下，在温度和环境的共同作用下，裂纹逐渐扩展延伸导致穿透，造成进口管板泄漏。
        2.4水压试验泄漏分析
        2000年8月大修，在水压试验过程中，进行声发射检测时，发现进口管板多处泄漏。在拆卸耐火层时，未发现明显泄漏痕迹。对上述现象的分析如下：
        水压试验造成管板原有裂纹扩展泄漏的可能性较小。原因为：声发射没有观测到裂纹扩展迹象；声发射是非常灵敏的裂纹扩展检测手段。为什么工作条件下，没有发现明显泄漏，在水压试验时发现泄漏？
        1）有穿透裂纹存在时，不一定就会泄漏(或有明显泄漏)，在工程中经常出现此种现象(比如在此次发现100E8泄漏后，重新加压到8MPa才再次发现泄漏)。
        2）有穿透裂纹时，必须应力水平适当，穿透裂纹通道能够张开，才会造成泄漏。
        3）在100E8工作条件下，列管温度比壳体温度高，列管的膨胀量比壳体大，造成管板在承受压力载荷的基础上，还要承受温度载荷造成的弯矩，造成管板额外向水侧弯曲，管板在水侧应力小，在管板中穿透裂纹在接近水侧处不易张开，穿透裂纹的水泄漏通道不能形成，所以在工作条件下没有观测到明显泄漏。
        4）在水压试验条件下，管板不承受温度载荷造成的弯矩，穿透裂纹泄漏通道容易打开，但也要水压试验压力足够高才能打开泄漏通道。穿透裂纹形成后，在交变载荷作用下裂纹继续扩展，当裂纹扩展到一定程度后，才形成泄漏。1995年大修时在100E8管板表面上发现的裂纹都较长(大多数在20mm以上)，不同于2000年大修水压试验时在管板表面上发现的点状裂纹，这个现象表明上述分析的合理性。
        3 结论
        通过对合成氨二段转化废热锅炉列管、进出口管板泄漏现象分析，认为导致100E8失效的根本原因是水质、列管温度和水的局部循环状态共同作用下产生的大面积结垢和严重腐蚀穿孔。因炉水长期呈酸性和杂质较多，在管壁温度高的情况下，发生酸性腐蚀和结垢。更换列管时，焊接质量差是造成100E8多次泄漏的根本原因。防止100E8失效的措施为：确保水质指标，只要加强脱盐水、锅炉给水、炉水按水质指标进行控制，运行时按照操作手册要求，进行定期排污和连续排污，可避免发生列管穿孔泄漏；列管更换和泄漏检修时，严格执行列管更换方案和检修方案，注意取管顺序和列管焊接顺序，可降低管板焊接应力；热处理时，严格按照热处理曲线进行，防止发生加热板断电现象；运行期间，控制开车、停车速度，避免负荷出现大的波动。