江紅偉，袁耀如

(中海油氣(泰州)石化有限公司，江蘇 泰州 225321)

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轉(zhuǎn)化氣余熱鍋爐管板角焊縫裂紋故障分析及處理

江紅偉，袁耀如

(中海油氣(泰州)石化有限公司，江蘇 泰州 225321)

介紹了轉(zhuǎn)化氣余熱鍋爐管板角焊縫裂紋情況。結(jié)合工作條件，從管板結(jié)構(gòu)、管子和管板連接方式、襯里及施工等方面分析了故障產(chǎn)生的原因。結(jié)果表明：設(shè)備制造過程、襯里材料及施工等因素是造成焊縫裂紋的主要因素。采取了相應(yīng)措施進(jìn)行故障修復(fù)，特別是焊前預(yù)熱、焊后消氫處理，達(dá)到了預(yù)期的修復(fù)效果。對同類設(shè)備的設(shè)計(jì)、制造過程控制提出了建議。

轉(zhuǎn)化氣余熱鍋爐 角焊縫 消氫處理

1 概 況

轉(zhuǎn)化氣蒸汽發(fā)生器是制氫裝置的關(guān)鍵設(shè)備之一，它的狀況直接影響到裝置的正常運(yùn)行[1]。某廠制氫裝置開工過程中，轉(zhuǎn)化氣余熱鍋爐經(jīng)過了8 d的烘爐階段，烘爐期間管程介質(zhì)入口最高溫度為488.6 ℃，最高壓力2.97 MPa；殼程介質(zhì)最高溫度268.3 ℃，最高壓力1.23 MPa。在檢查過程中，發(fā)現(xiàn)余熱鍋爐高溫端管束處出現(xiàn)大量泄漏，襯里有部分粉化、破碎現(xiàn)象。拆除襯板、襯里，對進(jìn)口端管板管頭進(jìn)行滲透探傷(PT)，檢測出75處裂紋，進(jìn)行水壓試驗(yàn)又發(fā)現(xiàn)4處泄漏點(diǎn)，合計(jì)發(fā)現(xiàn)79處管板角焊縫裂紋。管板角焊縫裂紋外觀見圖1，管板角焊縫裂紋分布情況見圖2。裂紋的形貌為管頭徑向開裂，并向鋼管的軸向延伸，管板管孔處沿坡口的徑向放射狀裂紋，長度8～14 mm。

圖1 管板角焊縫裂紋外觀

2 余熱鍋爐的結(jié)構(gòu)

在催化劑作用下，精制后原料氣在轉(zhuǎn)化爐管內(nèi)與蒸汽發(fā)生強(qiáng)吸熱氫解反應(yīng)，生成H2，CO，CO2和殘余甲烷。離開轉(zhuǎn)化爐管的轉(zhuǎn)化氣溫度860 ℃、壓力2.67 MPa，進(jìn)入轉(zhuǎn)化氣余熱鍋爐管程，與殼程鍋爐給水換熱發(fā)生3.5 MPa的中壓蒸汽，換熱后轉(zhuǎn)化氣溫度為340～360 ℃，進(jìn)入中溫變換反應(yīng)器。轉(zhuǎn)化氣余熱鍋爐的結(jié)構(gòu)為固定管板式(撓性設(shè)計(jì))，結(jié)構(gòu)簡圖見圖3。

圖2 角焊縫裂紋分布

該轉(zhuǎn)化氣余熱鍋爐屬于Ⅱ類壓力容器，殼程殼體材質(zhì)15CrMoR；撓性管板材質(zhì)15CrMoR，厚度48 mm，管板直徑1 800 mm；換熱管材質(zhì)15CrMo，尺寸為φ38 mm×4.5 mm×6 000 mm，合計(jì)498根。設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。

圖3 余熱鍋爐的結(jié)構(gòu)

表1 余熱鍋爐設(shè)計(jì)參數(shù)

3 故障原因分析

3.1 管板結(jié)構(gòu)

據(jù)統(tǒng)計(jì)，國內(nèi)目前使用的轉(zhuǎn)化氣余熱鍋爐管板厚度大多為30 mm左右，該設(shè)備管板直徑1 800 mm、厚度為48 mm，厚度大的管板在操作中會(huì)產(chǎn)生巨大的熱應(yīng)力[2]。因?yàn)樵诓僮鳒囟认?，管板兩面受熱不同，因而產(chǎn)生溫度差，這種溫差隨著厚度增加相應(yīng)增大。巨大的熱應(yīng)力也是管束角焊縫裂紋的誘因之一。

建議余熱鍋爐采用厚度30 mm左右的薄管板結(jié)構(gòu)，滿足強(qiáng)度和剛度要求，具有良好的導(dǎo)熱性能和撓性。

3.2 管束與管板連接形式

該設(shè)備管束與管板連接形式采用強(qiáng)度焊加強(qiáng)度脹，見圖4。這種結(jié)構(gòu)形式使焊縫處于高溫區(qū)，受襯里和襯管施工質(zhì)量的影響，容易受到熱沖擊而產(chǎn)生裂紋。建議余熱鍋爐管束與管板連接采用深孔焊，焊縫距管板端面距離最小為30 mm,這種結(jié)構(gòu)將焊縫置于低溫區(qū)，避免焊縫受到熱沖擊。

圖4 管束與管板連接形式

3.3 襯里與襯管的熱膨脹

該設(shè)備襯里采用Al2O3澆注料，襯管采用Incoloy800H，兩種材料的線膨脹系數(shù)相差很大。由于線膨脹量不同，長期受熱時(shí)容易產(chǎn)生裂紋，導(dǎo)致局部高溫。因此，建議余熱鍋爐襯管采用陶瓷套管結(jié)構(gòu)。

3.4 襯里材料及施工

該設(shè)備入口筒體內(nèi)襯采用Al2O3澆注料，筒體處150 mm，管板處為150 mm。檢查發(fā)現(xiàn)管板處部分襯里已經(jīng)粉化、脫落，部分裂紋寬度2～3 mm，襯里與襯管間存在約1 mm間隙。說明該襯里與襯管線膨脹量不一致，導(dǎo)致襯管與襯里之間形成裂紋。

設(shè)計(jì)要求溫度(500±20)℃時(shí)襯里導(dǎo)熱系數(shù)不大于0.35 W/(m·K)，而很多襯里廠家的襯里導(dǎo)熱系數(shù)(800 ℃)不大于0.8 W/(m·K)，達(dá)不到設(shè)計(jì)要求。因此，管板處襯里計(jì)算應(yīng)采用襯里廠家的數(shù)據(jù)進(jìn)行校核。

襯里施工在制造廠家完成。在襯里施工期間，如果處理倉促或手段不足，容易在襯里層和設(shè)備本體之間形成縫隙；襯管在襯里施工過程中容易偏移，導(dǎo)致襯管和換熱管不同心或相碰，為安全生產(chǎn)留下隱患。因此，應(yīng)加強(qiáng)襯里施工質(zhì)量控制，襯管陶纖維紙施工是設(shè)備制造的重點(diǎn)控制點(diǎn)。

另外，該設(shè)備襯里施工完后，未在廠家進(jìn)行350 ℃預(yù)烘干，襯里中水分未有效去除。設(shè)備運(yùn)到現(xiàn)場后，又經(jīng)歷一個(gè)寒冬(當(dāng)?shù)刈畹蜏囟?11 ℃),襯里凍結(jié)是襯里部分粉化的主要原因。

4 設(shè)備修復(fù)

考慮到該設(shè)備的采購周期在5個(gè)月以上，采購新設(shè)備將對生產(chǎn)造成嚴(yán)重影響，決定按原制造方案進(jìn)行修復(fù)處理?？紤]到工期，修復(fù)方案為管板修復(fù)利用，換熱管全部更換，以下是幾個(gè)關(guān)鍵控制點(diǎn)。

(1)鉻鉬鋼焊接預(yù)熱溫度大于150 ℃。用石棉氈將換熱管孔堵上，減少熱量流失；20 min測溫一次，控制預(yù)熱溫度大于150 ℃。

(2)采用角向修磨方式清除前管板發(fā)現(xiàn)的裂紋，補(bǔ)焊并進(jìn)行消氫熱處理。

(3)筒體坡口補(bǔ)焊，要求層間溫度為150～300 ℃。

(4)殼體整體熱處理。

(5)設(shè)備整體進(jìn)行水壓試驗(yàn)。

(6)管板襯里重新澆鑄，加強(qiáng)襯里施工和襯管陶纖維紙施工質(zhì)量的檢查，消除周邊縫隙。

(7)襯里在制造廠家進(jìn)行350 ℃預(yù)烘干。

5 結(jié)束語

該設(shè)備經(jīng)過修復(fù)處理后進(jìn)行氣密性檢驗(yàn)，合格后投入運(yùn)行。設(shè)備在投用初期采用降壓措施，減小管殼程的壓力差，改善管板的操作環(huán)境。目前，修復(fù)后的設(shè)備投用7個(gè)月，運(yùn)行正常。

(1)修復(fù)后的設(shè)備運(yùn)行情況說明，修復(fù)方案和焊接工藝合理、可行。焊前預(yù)熱、焊后消氫處理，可以有效地消除工件上的氫，防止在打磨及焊接過程中產(chǎn)生裂紋。

(2)余熱鍋爐應(yīng)采用厚度30 mm左右的薄管板結(jié)構(gòu)，既滿足強(qiáng)度和剛度的要求，又具有良好的導(dǎo)熱性能和撓性。

(3)余熱鍋爐管束與管板連接形式應(yīng)采用深孔焊，焊縫距管板端面距離最小為30 mm。

(4)余熱鍋爐襯管宜采用陶瓷套管結(jié)構(gòu)。

(5)管板處襯里計(jì)算應(yīng)采用襯里廠家數(shù)據(jù)進(jìn)行校核。

(6)應(yīng)加強(qiáng)襯里施工質(zhì)量和預(yù)烘干質(zhì)量檢查及控制。

[1] 王樹德，張紹良.制氫裝置轉(zhuǎn)化氣蒸汽發(fā)生器存在問題及分析[J].石油煉制與化工，2005，36(8):27-30.

[2] 黎延新.橢圓管板廢熱鍋爐的結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度與使用[J].化工煉油機(jī)械通訊，1975(1):8-37.

(編輯 王維宗)

Fault Analysis and Treatment on Tube Plate Angle Weld Crack of Conversion Gas Waste Heat Boiler

JiangHongwei,YuanYaoru

(CNOOCTaizhouPetrochemicalCo.,Ltd.,Taizhou225321,China)

The situation of tube plate angle weld crack of conversion gas waste heat boiler was introduced. Combined with working conditions, causes of the failure were analyzed from the aspects of tube plate structure, connection mode between tube and tube plate, lining and construction. The results showed that factors such as equipment manufacturing process and lining material construction were the main reasons for weld crack. Some targeted repair plans were adopted and achieved the desired effects, such as preheating before welding and dehydrogenation treatment. Meanwhile, reasonable suggestions on similar equipment design and manufacturing process have been provided.

conversion gas waste heat boiler, fillet weld seam, dehydrogenation treatment

2016-12-25；修改稿收到日期：2017-03-04。

江紅偉(1977—)，本科，高級工程師，長期從事石油化工設(shè)備技術(shù)管理工作。E-mail：836701869@qq.com