油漿蒸汽發生器泄漏失效分析

摘 要：利用失效分析的方法，對重油催化油漿蒸汽發生器管板開裂現象進行了管板化學成分、宏觀、微觀斷口形貌及裂口腐蝕產物分析。得出疲勞和應力腐蝕共同作用引起重催油漿蒸汽發生器管板的開裂，并提出改進措施。

關鍵詞：油漿蒸汽發生器；管板開裂；應力腐蝕

某公司重油催化裝置4臺油漿蒸汽發生器于2013年8月投入運行。換熱器型號為BJS1600-4.32/5.4-678-7.5/32-6I，殼程材質為Q345R，管板材質為16MnⅥ，管子材質為10號鋼；殼程介質為飽和蒸汽和水，其操作壓力為4.6MPa，操作溫度為259℃；管程介質為油漿，其操作壓力為1.0Mpa，操作溫度為321℃。2013年10月換熱器相繼出現管束管頭焊縫開裂，2014年5月更換后換熱器管束再次出現管束管頭開裂現象。

油漿蒸汽發生器是催化裂化裝置中的關鍵節能設備，其管板開裂導致蒸汽泄漏到油漿之中，造成了生產的大幅度波動。因此，對油漿蒸汽發生器管板開裂原因進行分析并提出有效的預防措施是很有必要的。

1 試驗與分析

1.1 管板化學成分分析

對管板及管子截取化學成分分析試樣，分析結果見表1。管板及管子材質的各元素質量分數均在國際標準值內。

表1 管板及管子化學成分分析（Wt%）

1.2 宏觀斷口形貌分析

分別對換熱器固定管板和浮動管板的管程側表面進行表面PT檢查，檢查發現固定管板上的裂紋主要集中在Ⅳ程出口和Ⅴ程入口，浮動管板上的裂紋主要集中在Ⅲ程出口和Ⅳ程入口，出現裂紋的部位相對集中于管程的邊緣處。

油漿蒸汽發生器不帶角焊縫裂紋局部的宏觀形貌如圖1所示。油漿蒸汽發生器帶角焊縫裂紋局部的宏觀形貌如圖2所示。裂紋斷裂面的宏觀形貌如圖3所示。

從圖1可以看出，裂紋分布于管橋、管板和換熱管板孔內。圖2中裂紋大多數位于角焊縫上，也有穿過角焊縫在管橋上的，角焊縫上的裂紋既有徑向，也有環向。

從圖3中可觀察到斷口腐蝕較嚴重，斷裂面較平整，表現出脆性開裂特征。

圖3 裂紋斷裂面宏觀形貌

1.3 微觀斷口形貌分析

對管橋裂紋斷口用掃描電鏡進行微觀分析，由于斷裂面腐蝕嚴重，只能在裂紋尖端附近局部區域觀察到裂紋，主要為解理脆性開裂（見圖4）。

圖4 管橋裂紋斷裂面微觀形態

選取管橋裂紋垂直截面進行金相分析（見圖5），裂紋由焊縫處啟裂，穿過熱影響區已進入管板母材。裂紋的微觀形貌以穿晶擴展為主，局部有沿晶特征。

分析發現裂紋的斷裂面主要啟裂于角焊縫處，開裂主要是從管板的焊縫處啟裂，即管程側開裂，但也有從殼程側啟裂的。由于裂紋為樹枝狀，且裂紋末端十分尖銳。因此，應力腐蝕是管板開裂的重要原因。

圖5 管橋裂紋微觀形態

1.4 裂紋斷口腐蝕產物分析

用X射線能譜儀對裂紋斷口進行腐蝕產物分析，分析結果見表2。分析結果表明，斷口上有鈉、氧、硫等腐蝕性元素，其中在每個分析面上均有O和Na的存在

表2 裂紋斷口主要元素分析（w%）

2 開裂原因

從分析結果可見，管板開裂既有從管程側啟裂的也有從殼程側啟裂的。導致管板開裂的原因總結起來主要有以下幾個方面：

（1）由殼程介質（脫氧水）引起的堿應力腐蝕開裂。此種開裂均由殼程側管板與管子連接角焊縫根部啟裂。由于殼程介質是蒸汽與水的混合物。氣-液兩相流是非理想化上的橫向流動的流型。不穩定的流動將會誘發振動導致管子從管孔中松脫，使得管子與管板間產生了縫隙，殼程介質（脫氧水）滲入縫隙中，運行過程中縫隙中的堿濃度不斷濃縮升高，導致焊縫根部在高溫堿環境下發生堿應力腐蝕開裂并不斷擴展，直至穿透引起泄漏。造成管子與管板貼合不良的原因是由于脹管質量欠佳。

（2）由于蒸汽發生器中氣泡破裂產生的爆破力和蒸汽流動對管束造成循環交變載荷誘發振動。在管束與管板應力集中處易產生疲勞微裂紋。泄漏的油漿進入微裂紋產生應力腐蝕開裂。管板在疲勞微裂紋處和應力集中處，在管板的溫差應力、氣泡的爆破力、焊接殘余應力、流體誘發的振動相互疊加的作用下，在高溫重油硫化氫腐蝕環境下發生應力腐蝕。

（3）油漿蒸汽發生器是在疲勞破壞和應力腐蝕的雙重作用下發生失效的。管子的振動，溫差應力等促進了疲勞，疲勞加速了應力腐蝕開裂，使得管子快速開裂引起失效。

3 改進措施

針對管板開裂的原因，提出以下三點改進措施：減小換熱管無支撐跨距，增加換熱管許用壓縮應力；換熱管與管板的連接結構從強度焊+貼脹更改為強度焊+強度脹，阻止腐蝕介質進入管板與換熱管連接處；提高工藝操作穩定性，避免劇烈溫度波動，防止管束振動。

參考文獻

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[2]張明廣.油漿蒸汽發生器管板裂紋成因分析[J].化工設計，2002，12（5）：36-37.

[3]孫毅，郭建，喬文山.催化裂化油漿蒸汽發生器的技術改造[J].石油化工設備，2000，21（5）：9-11.

作者簡介：張一帆（1988-），男，安徽省安慶市人，工作單位：中國石油化工股份有限公司安慶分公司，職務：助理工程師，研究方向：石油化工設備管理。