CO变换装置IP蒸汽废锅失效原因分析

杨 帆，赵宝宝

（神华宁夏煤业集团烯烃一分公司，宁夏银川 750041）

CO变换装置IP蒸汽废锅失效原因分析

杨 帆，赵宝宝

（神华宁夏煤业集团烯烃一分公司，宁夏银川 750041）

主要从换热器的检查结果结合现场运行中振动、腐蚀、选材几个方面分析其失效原因，同时通过设备的工艺设计有针对性的对其失效原因进行分析，并提出部分优化措施。

CO变换；IP蒸汽废锅；失效；优化

神宁集团50万t/a煤基烯烃CO变换装置IP蒸汽废锅E-35010A/B于 2011年5月投运，在后期换热器拆检时发现内漏现象。管板表面100%PT检测后发现管板与管束连接角焊缝处出现大面积裂纹，壳程充水试压时裂纹处出现泄漏。在变换装置每次的停车检修过程中，都需对换热器管板裂纹进行堆焊修复，但修复措施只能控制泄漏量，无法从根本上控制裂纹数量和内漏问题，且堆焊修复后的管板会继续出现裂纹，现裂纹已扩展至管束内部，现锅检所已出具换热器报废报告。

1 IP蒸汽废锅E-35010A/B失效原因分析

1.1 换热管与管板的连接处出现裂纹及失效分析

在换热器拆检过程中发现换热管与管板连接部位即管头产生大面积裂纹，裂纹长度3～5mm不等，集中分布在热区及冷区中下部位，热区裂纹数量预估计单个管板在4 000～5 000之间，冷区裂纹数量较热区少一半左右。

换热管和管板的连接处因焊后残余应力、温差应力集中、换热器材料的差异等因素的存在，可能导致管头与管板连接部位出现较大的残余应力。在壳程中压锅炉给水的冲击振动和频繁的开停车状态下，管头与管板连接处会出现应力腐蚀、间隙腐蚀和振动性疲劳的破坏，且三者之间的相互作用会大大增加管头焊缝的失效速度，最终导致管头焊缝裂纹的出现。在频繁的开停车过程中，由于厚管板（135mm）的温度变化慢，换热管的温度变换快，在换热管与管板连接处会产生较大的热应力，当迅速停车或进气温度突然发生变化时，壳体膨胀节不能快速的作出径向膨胀反应，热应力的急剧增大而无法进行有效的膨胀释放就会导致管板与换热管在连接焊缝处发生破坏，这可能是管头焊缝处出现裂纹的一个重要原因。

在前期运行不稳定频繁开停车过程中，换热器管头连接部位频繁暴露在露点温度下，酸性氯化物腐蚀溶液导致316L不锈钢发生全面腐蚀和应力腐蚀，加剧管头表面裂纹出现的速度和数量。前期系统的频繁开停车使316L不锈钢发生全面腐蚀和应力腐蚀是管头出现裂纹的最主要原因。

1.2 管板台肩与管箱连接处出现裂纹及失效分析

在拆检换热器过程中发现换热器管板台肩部位出现了环形裂纹，PT检测检查发现E-35010A管板台肩处的热区裂纹总长度2 120mm，冷区裂纹总长度1 025mm，E-35010B热区管板台肩裂纹总长度960mm，均为表面结构不连续位置。在进行修复打磨时发现裂纹深度已扩展至基材部位。

316L不锈钢在伸缩应力及酸性氯化物腐蚀溶液腐蚀的共同作用下，会出现应力腐蚀造成的开裂现象。应力腐蚀与单纯腐蚀引起的开裂或者纯力学造成的开裂不同，应力腐蚀开裂在腐蚀能力极低的介质条件下也可以引起，频繁开停车使316L不锈钢不断暴露在材料露点温度下，通常材料的全面腐蚀现象可能很轻微，没有任何变形预兆情况下，材料即发生突然的应力开裂，所以应力腐蚀开裂是管板台肩出现裂纹的重要原因。另外，换热器本体热膨胀与管箱热膨胀造成的径向变形大小不一致（拉应力），可能是导致管板台肩处出现不连续环形裂纹的一个次要因素。

1.3 支座悬空和膨胀节失稳

换热器中部支座向冷区出现滑动，距离为15mm左右。冷区支座悬空，悬空高度20mm，滑动方向为朝向合成气流向，滑动距离为25mm左右，且滑动端限位螺栓已全部断裂。检查膨胀节出现上窄下宽现象，冷区自膨胀节中心线开始呈上翘现象，膨胀节上下宽度极限偏差已超过15mm，属于膨胀节严重失稳状态，即膨胀节已失效。

换热器在原始开车过程中未将冷区滑动端限位螺栓松开，在开停车过程中膨胀节上下半部受热或预冷均匀膨胀，因冷区滑动端限位螺栓限制，造成膨胀节下部径向移动受限，管束径向的膨胀应力不能得到完全释放，最终造成管头焊缝开裂和冷区滑动端限位螺栓的断裂，限位螺栓断裂后，失稳的膨胀节因已失去消除管束膨胀应力能力，出现上下膨胀不规律，且随管道应力的伸缩最终在冷区部位向上翘起，支座悬空。滑动端的螺栓限制很可能是膨胀节失稳的一个重要原因，而膨胀节的失稳使管箱热应力、管道热应力与换热器本体热应力集中爆发在管板台肩处，导致管板台肩处出现不连续的环形裂纹。

2 IP蒸汽废锅E-35010A/B的优化措施

针对换热器管束与管板连接部位的连接方式建议采用先焊后胀的顺序，焊后需进行热处理，利用机械液压装置进行胀接，换热管伸出管板的尺寸适当加长。换热管的材质与管板的材质尽可能的匹配或一致，这样做的目的是为了消除不同材料接触所形成的温度和压力载荷，有利于从根本上控制管程和壳程的腐蚀问题。管程材料硬度尽量小于管板的材料硬度，可以使管板与换热管的胀接进行最佳组合。焊材和焊接质量的控制也是不可忽略的因素。

应力腐蚀的处理要求在工艺操作上要优化开停车运行操作方案，尽量避免频繁开停车，降低开停车中热应力集聚，避免316L不锈钢材料暴露在应力腐蚀开裂的工艺环境中，防止应力腐蚀失效。在设备方面，可以从消除热应力着手，设计选型建议改为BKU型（釜式重沸器）的废锅形式来解决换热器结构设计问题，还可以通过材料的选择，抑制介质造成应力腐蚀的能力，通过控制介质流速和应力释放能力等方法来延长设备的使用寿命。

3 结论

综上所述，可以看出IP蒸汽废热锅炉的主要失效原因为膨胀节的失稳、应力腐蚀和管头裂纹失效，进而造成管板表面大面积泄漏和管板台肩处不连续环形裂纹，但膨胀节失稳的根本原因是否是滑动限位锁死造成还需进一步的探讨分析。

换热器的失效形式之间存在着复杂的关联和影响，但选择一个解决措施的平衡点来设计制造和标准的工艺操作运行是保证换热器长期稳定运行的重点。

Failure Reason Analysis of CO Converter IP Steam Waste Boiler

Yang Fan，Zhao Bao-bao

Mainly from the heat exchanger to check the results with the field operation of vibration，corrosion，material analysis of several aspects of the cause of failure，and the equipment design for the analysis of the cause of the failure，and puts forward some optimization measures.

CO transform；IP steam waste pot；failure；optimization

TQ546

A

1003–6490（2016）10–0061–02

2016–10–07

杨帆（1988—），男，宁夏灵武人，助理工程师，主要从事化工设备维护与维修的研究工作。