天然氣制氫裝置廢熱鍋爐管板典型裂紋原因分析及修復

肖元超，吳磊，張麗

（1.山東明潤特種裝備有限公司；2.山東省特種設備檢驗研究院棗莊分院，山東 棗莊 277100）

天然氣制氫裝置廢熱鍋爐管板典型裂紋原因分析及修復

肖元超1，吳磊2，張麗1

（1.山東明潤特種裝備有限公司；2.山東省特種設備檢驗研究院棗莊分院，山東 棗莊 277100）

某公司制作的天然氣制氫裝置天然氣轉化工段用廢熱鍋爐，在使用過程中其高溫端管板（材質 15CrMoIII）與換熱管束（材質 15CrMo）端部焊縫及管板出現多處裂紋，長度約 50mm左右，內部出現滲漏，設備無法正常運行。通過現場勘查、圖紙設計、管板材質以及對廢熱鍋爐制造過程分析等，確定廢熱鍋爐管板上的這些裂紋屬高溫回火脆性開裂，導致介質滲漏，并提出了相對可行的的修復措施。

廢熱鍋爐；15CrMo；高溫回火；脆性開裂；原因分析；修復

1 情況簡介

某壓力容器制造單位為山東某公司 50000噸 /年針狀焦生產線天然氣制氫裝置制造了一臺廢熱鍋爐（相關技術特性表見表 1），設備長度 10m，共分高溫段、低溫段兩部分，是天然氣轉化工段的關鍵設備。

在設備運行 4個月后，高溫端換熱管（φ38×3.5材 質：15CrMo） 與 管 板（φ1306×150材 質：15CrMoⅢ）焊縫處、換熱管端部及管板多處裂紋，長度約 50mm左右（圖1、2），內部出現滲漏，設備無法正常運行，情況較嚴重。

圖1 打磨后單孔裂紋形貌

圖2 打磨后部分裂紋分布位置

2 原因分析

2.1 現場勘查

經現場勘查發現，焊縫裂紋沿換熱管與管板焊縫縱向開裂，長度約 50mm。該管板側共有 70個焊接接頭，出現裂紋的接頭共 18處。同時，現場清理下來的預制塊有明顯的裂紋痕跡，且預制塊厚薄不一，耐火澆注料在使用過程中有脫落的痕跡。

2.2 設計方面

查 閱 GB150.2-2011，15CrMo鋼 管、 管 板 鍛 件最 高 使 用 溫 度 均 為 550℃，OCr25Ni20換 熱 管 套 管(φ25×2 L=400)最高使用溫度 800℃，圖紙設計不符合 GB150.2-2011規定要求。另一方面，管程低溫端、高溫端耐火澆注料相同；換熱管、管板材質相同，均為15CrMo鋼材，規格厚度相同，圖紙技術特性表中列明，管程低溫端工作溫度 350～ 500℃，在 15CrMo鋼材最高使用溫度 550℃以下。管程低溫端換熱管端部及管板未開裂，使用正常。管箱、管板處搪制了耐火材料，采取了一定的隔熱措施，如果耐火澆注料能將管箱、換熱管與管板溫度控制在 550℃以下，則設計方面沒有問題。

2.3 相關化驗與測試

母材成分化驗。鋼板到廠后，公司對該批材料包括 15CrMoIII管板都做了復驗，其中 C、Cr、Mo等關鍵元素指標符合 NB/T47008-2010的要求，其中 C元素實測最大含量為 0.15%，低于標準限值 0.18%。此次特意用光譜分析儀對焊縫兩邊母材現場測試，結果符合要求（表2）。

硬度測試。對裂紋部位的母材、焊縫、熱影響區進行硬度測試，均在正常范圍內。

表1 廢熱鍋爐相關技術特性及要求

表2 光譜分析結果

厚度測試。對焊縫及熱影響區各個部位進行超聲波厚度測試。測厚數據表明，最小厚度可以保證設備所需最小壁厚。

2.4 廢熱鍋爐制造過程中焊接、熱處理分析

該廢熱鍋爐于 2015年 8月制作完成。焊接方法采用焊條電弧焊，為了保證焊縫質量，需將 R307焊條(直徑 2.5mm)烘干溫度 305～ 400℃，保溫 1～ 2h，以保證焊縫金屬中擴散氫的含量為最低。烘好的焊條放入保溫筒，隨取隨用，按照圖紙以及設計文件要求，換熱管與管板焊接后應立即進行后熱（消氫）處理，并進行局部熱處理，熱處理使用履帶式電加熱帶，換熱管與管板焊接后用液化氣噴火槍加熱到后熱（消氫）處理溫度 300℃、局部熱處理溫度 650℃，持續加熱 0.5h左右后，用巖棉硅酸鋁保溫，這樣符合后熱（消氫）處理、局部熱處理規范要求。

2.5 高溫回火脆性開裂

本臺設備中涉及的 15CrMo鍛件在服役過程中，由于預制脫落不能對管板進行有效保護，使其在 650℃以上的高溫環境中長期服役（時效）中產生脆化現象，也稱為第二種回火脆性，符合偏聚理論。

綜上所述，一般來說，高溫回火脆性會導致管板開裂，根據現場勘查情況和以上分析可以看出，該裂紋屬高溫回火脆性開裂，預制過程存在明顯問題。設備使用過程中，預制脫落造成 15CrMoIII管板長期在高溫中服役是產生管板開裂的主要原因。

3 現場修復措施

現場制定的裂紋修復措施主要包括：（1）結合表面無損檢測，準確找到焊縫位置及分布，然后用氣刨深挖裂紋處，焊接前清理焊道裂紋兩側。（2）焊前預熱 ,在焊接中坡口兩側不小于 200mm范圍的溫度不得低于 150℃。管板加熱到 180℃后用巖棉保溫緩冷。預熱過程隨時測溫，保證預熱溫度的均勻性,溫度升至180℃后斷電進行焊接。（3）采用手工焊，焊接參數嚴格按工藝執行，并嚴格控制焊接熱輸入，每條焊縫要一次焊完，中間不得停留，并嚴格控制道間溫度不低于150℃，否則應重新進行加熱。（4）焊縫焊完后立即進行 250～ 300℃ ×2h的消氫處理，加熱到溫度后用巖棉進行保溫，以降低擴散氫含量，提高焊接接頭的沖擊韌度，避免延遲裂紋的產生。（5）焊縫焊接完畢，待24h后進行磁粉檢測。

焊接裂紋修復后，有專業預制廠家按照有關技術要求對設備中已脫落預制及有脫落傾向的部分進行了徹底修復，從而保證了 15CrMoIII的服役環境，使用近 1年來沒有再出現類似問題，運行正常。

4 結語

綜上所述，通過分析及修復過程可以得出，高溫回火脆性的發生主要和材料及其使用環境有很大關系，設計者在設計時要充分考慮工作參數，特別是最高工作溫度，選用合理的材料牌號，從而從源頭上消除高溫回火脆性的發生可能性。同時，制造者應嚴格按照有關技術要求，保證材料使用的正確性，提高焊接、預制、消除應力的工藝執行力，從而保證具有高溫回火脆性斷裂傾向設備的整體產品質量。

[1]TSG 21-2016. 固定式壓力容器安全技術監察規程 [ S].

[2]NB/T47015-2011. 壓力容器焊接規程 [ S].

[3]NB/T47014-2011. 承壓設備焊接工藝評定 [ S].

TQ050

A

1671-0711（2017）07（下）-0032-02