變換裝置蒸汽發生器管板及管箱筒體開裂原因分析及應對措施

盧曉東 李 璇

（1.盛虹煉化（連云港）有限公司；2.蘭州寰球工程有限公司）

某煤化工項目變換裝置開車運行8 個月左右，發現一臺蒸汽發生器（E-1505）管箱筒體兩側出現3 條裂紋，裂紋往外滲水，判斷裂紋是從殼程側開裂，公司討論決定觀察運行。再次運行1個月左右，變換裝置其他4 臺蒸汽發生器均出現類似情況，停車打開換熱器后，發現管板和管箱筒體開裂。

針對上述情況筆者通過對裂紋的形態分析、金相分析和腐蝕產物的分析，結合運行過程中蒸汽發生器爐水加藥情況和堿應力腐蝕開裂的條件，找出變換裝置蒸汽發生器管板和管箱筒體開裂原因。

1 設備現狀

經現場檢查可以看出，蒸汽發生器上的裂紋如圖1 所示。裂紋1 外壁長度約140 mm（管板上約90 mm，管箱上約50 mm），裂紋2 外壁長度約120 mm（管板上約70 mm，管箱上約50 mm），裂紋3 外壁長度約50 mm。3 條裂紋均出現在管板與管箱筒體相連的焊縫附近，且與焊縫（環向）垂直，裂紋位置示意圖如圖2 所示。

圖1 蒸汽發生器上的裂紋

圖2 裂紋位置示意圖

蒸汽發生器主要技術參數見表1，換熱管與管板采用如圖3 所示的強度焊+貼脹連接形式［1］，工藝介質（變換氣）組分見表2。

表1 蒸汽發生器主要技術參數

表2 變換氣組成成分 mol%

圖3 換熱管與管板連接形式

2 開裂原因分析

筆者對蒸汽發生器上的裂紋1 進行取樣分析，樣品如圖4 所示。

圖4 裂紋1 樣品

2.1 MT 和PT 檢查

對裂紋和附近的外壁進行MT 檢測，管箱內壁進行PT 檢測，結果如圖5 所示。外壁檢出裂紋總長度約139 mm，其中管箱體上長約88 mm的裂紋沿軸向擴展，管板上長約51 mm 的裂紋沿徑向擴展。裂紋局部有分叉現象（圖5a 箭頭所指處）。管箱內壁未檢出裂紋，黃色區域內為不銹鋼手工堆焊層 （對應基材為管板與管箱筒體相連的環焊縫），手工堆焊寬度約110 mm（圖5b）。

圖5 MT 和PT 檢測結果

2.2 樣品解剖

分別沿圖6 中A 和B 藍色線將兩根管子對半剖開，剖開后的宏觀形貌如圖7、8 所示。沿A線剖開時，A-“1”部位管子與管板孔未貼合（有明顯的縫隙），A-“2”部位管子與管板孔貼合較好（無明顯縫隙），如圖7a 所示，去除管子后，發現A-“1”的管板孔內有明顯的腐蝕和微裂紋，而A-“2”的管板孔內未見明顯的腐蝕點狀坑和微裂紋（圖7b、c）。沿B 線剖開時，B-“2”靠近管板堆焊過渡區，管子與管板孔之間有明顯的縫隙存在，去除管子后，PT 檢測發現B-“2”管板孔內有明顯的裂紋和蝕坑存在（圖8b），MT 檢測在裂紋和蝕坑之間還有較多淺表不規則裂紋 （圖8c、d）。主裂紋基本沿管子軸向擴展，實測管板孔內裂紋長約53 mm，淺表裂紋成龜裂狀。

圖6 樣品解剖示意圖

圖7 樣品沿A 線剖開面

圖8 樣品沿B 線剖開面

2.3 裂紋金相分析

從B-“2”剖面一側的管板孔內主裂紋尖端上截取試樣，編號為JX1（圖9），JX1 裂紋對應的管板孔內有3 條可見裂紋，分別編號1#～3#（圖10），其中1#裂紋較長（在金相面約25 mm），其他兩條很淺，均屬微裂紋（2#裂紋長約0.20 mm，3#裂紋長約0.16 mm）。裂紋均以沿晶開裂為主，局部有穿晶特征（圖11、12）。

圖9 金相試樣截取部位

圖10 裂紋宏觀形貌

圖11 試樣JX1 電子金相圖

圖12 試樣JX1光學金相圖

2.4 斷口分析

將裂紋打開（圖13），配對斷口的宏觀形貌如圖14 所示，斷口上呈黑色和鐵銹紅色的區域均為裂紋斷裂面，呈白色的區域為人工打開面或砂輪切割面。斷口相對較平，有明顯的放射狀紋路，按紋路收斂方向判斷，起裂部位位于管板孔內靠近管頭側，裂紋先沿管板擴展，然后發展至管箱筒體上，穿透管板和管箱基材發生泄漏，裂紋在不銹鋼堆焊層和角焊縫上擴展速度較慢，未穿透堆焊層和角焊縫。整個斷口上有可見二次裂紋存在，具有應力腐蝕開裂特征。

圖13 斷口打開部位

圖14 配對斷口宏觀形貌

2.5 腐蝕產物X 射線衍射分析

將裂紋處的換熱管去除后發現管板孔內堆積著較多的結垢物，刮取結垢物進行X 射線衍射分析，XRD 分析圖譜如圖15 所示。分析可知，管板孔內的結垢物主要為Fe3O4和少量FeS。

圖15 結垢物XRD 分析圖譜

3 分析結果

上述分析結果表明，穿透裂紋處的換熱管外壁與管板孔壁貼合不佳，穿透裂紋起裂于管板孔內基材與堆焊層過渡區的基材側，主要沿管板和管箱筒體基材擴展，微觀以沿晶開裂為主，并有分叉，裂紋已延伸至堆焊層上（未穿透堆焊層）。裂紋內有氧化物存在，腐蝕產物X 衍射分析中主要峰值為Fe3O4。上述裂紋、斷口及腐蝕產物特征與低合金鋼堿應力腐蝕開裂主要特征高度吻合。

接觸添加了NaOH 和Na3PO4鍋爐水的碳鋼、低合金鋼、奧氏體不銹鋼的設備及管道均存在堿應力腐蝕開裂的風險。主要影響因素包括：溫度、濃度、材質及殘余應力等。對碳鋼和低合金鋼而言，發生堿應力腐蝕開裂的臨界濃度和溫度為：NaOH 濃度不小于5%，溫度不低于50 ℃［2］，碳鋼和低合金鋼對堿應力腐蝕開裂的敏感性高于300系列奧氏體不銹鋼。

蒸汽發生器正常操作爐水pH 值控制在8.8～9.3 之間，爐水添加劑為NaOH，添加量一般為每天10 kg，液相水中NaOH 濃度一般僅為1 mg/L左右，遠低于發生堿應力腐蝕開裂NaOH 5%臨界濃度的要求，因此，殼程液位線下不會發生堿應力腐蝕開裂。由于E-1505 為斧式蒸汽發生器，正常操作是液位控制在40%～60%，在液位波動范圍內存在干濕交替現象，從而導致堿發生濃縮，濃縮后局部堿濃度超過5%，另據操作人員介紹，有一段時間為了調節爐水pH 值，NaOH 每天添加量曾經達到了30 kg，這種情況持續了近一個月，且殼程鍋爐水入口溫度為140.00 ℃，出口溫度為158.77 ℃，滿足了堿應力腐蝕開裂發生的條件，現場實際出現裂紋的部位也全部位于液位波動區域。

在可能存在堿濃縮的區域內，由于換熱管和管板孔間的間隙中濃縮的堿在液位上升時較難被完全溶解，所以濃縮現象更為嚴重。此外，管頭焊接和管板堆焊會形成殘余應力，因此，管頭焊縫和堆焊過渡區容易成為應力腐蝕開裂的起裂部位。宏觀剖面檢查發現，開裂部位的管板孔和管子之間均存在較大的縫隙（同時也存在縫隙腐蝕［3］，縫隙腐蝕也加劇了管板的開裂）。

綜上分析認為，蒸汽發生器（E-1505）管板和管箱筒體開裂泄漏是由堿應力腐蝕引起的，操作液位波動范圍內存在堿濃縮且換熱管外壁與管板孔壁貼合不佳是導致開裂的主要原因。

4 應對措施

設計時的應對措施為：換熱器管板與換熱管連接形式上采用新型結構，比如深孔焊和迷宮式脹焊結構，徹底消除換熱管與管孔之間的間隙，但這兩種結構制造難度大，造價昂貴；蒸汽發生器爐水調節劑多選用不易濃縮的藥品，比如氨水等，一般慎用強堿藥劑，比如NaOH。

制造環節是保證設備長周期安全運行的關鍵，大部分換熱器管板與換熱管連接都采用脹焊工藝，貼脹的質量決定換熱管外壁與管板孔壁的貼合是否緊密，是否存在空隙。因此，在換熱管穿管前，對換熱管管端外表面要徹底除銹，貼脹質量要嚴格保證，焊接時管端清理后應呈現金屬光澤，其長度應不小于二倍的管板厚度。

操作時的注意事項為：嚴格控制爐水pH 值，每班應進行爐水化驗并進行定排，防止爐水中堿液濃度超標；盡量保持蒸發器高液位操作，杜絕出現干鍋或低液位情況發生。總之，煤化工企業變換裝置蒸汽發生器發生大面積堿應力腐蝕泄漏的情況相對比較多，企業相關技術人員要引起足夠的重視，從設計、制造、使用各個階段把好關，以降低類似故障發生的概率。

5 結束語

釜式蒸汽發生器在各煉油化工及煤化工裝置經常發生泄漏情況，多是由于加藥和操作不當引起的，因此，各設備管理人員要高度重視該類問題，釜式蒸汽發生器在操作時要特別關注爐水指標、操作液位等，并且要加強定排，同時應從設計、制造環節加強控制，以減少該類問題的發生。