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2kt 甲醇裝置采用德國LURGI 公司低壓合成甲醇生產工藝， 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 殼體發生滲漏現象，嚴重影響了裝置的安全生產。 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，轉化氣參數變為328℃、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 日工藝巡檢發現E-01005 殼體外部保溫層處出現滲水現象，將保溫層拆除后發現在入口管箱縱向焊縫處有泄漏，目視該焊縫熱影響區存在一條可見裂紋（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，未發現其他缺陷，于是決定將原裂紋打磨后開始補焊修復。 經過打磨，發現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焊縫， 且沿著環焊縫上繼續打磨，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

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焊縫

圖3 管箱筒體上垂直于縱焊縫的橫裂紋

管箱內部檢查，在不銹鋼襯里上發現大量龜裂紋（圖4），在管板與筒體的環焊縫上也有裂紋，局部打磨補焊的方案改為挖補（圖5），繼續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現異常，2013 年1 月大修期間宏觀檢查未發現異常。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壁時，造成復板和基板之間瞬態溫差，產生的熱應力超過材料的強度極限， 導致萌生裂紋，有多條裂紋同時產生、擴展匯合，使管箱復板產生大面積龜裂紋；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裂紋。

經觀察， 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）。

由于換熱管已經泄漏，因此管箱內的環境為濕的腐蝕性氣體，氫氣在此環境中經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下，氫原子和氫分子通過晶格和晶間向內擴散，這些氫與鋼中的碳化物（滲碳體）發生化學反應生成甲烷（Fe3C＋2H2→3Fe＋CH4），造成鋼內部脫碳，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，致使產生微小裂紋（氫致裂紋），即發生氫蝕（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

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

a. 現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）的強度已經有所下降，不符合GB/T 150/151 標準的要求，但是生產還要繼續， 為解決合規使用和安全使用問題，建議請專業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督檢驗，說明壓力容器的安全監督、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，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。