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氨合成裝置廢熱回收器泄漏失效案例分析

文檔作者：聞強(qiáng) 孔令雷文檔來(lái)源：安徽昊源化工集團(tuán)有限公司化學(xué)工業(yè)設(shè)備質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心			點(diǎn) 擊數(shù)：
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2016 年7 月
氨合成裝置廢熱回收器泄漏失效案例分析
聞強(qiáng)（安徽昊源化工集團(tuán)有限公司，安徽合肥236023）
孔令雷（化學(xué)工業(yè)設(shè)備質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，江蘇南京210036）
摘要：針對(duì)一起廢熱回收器泄漏事故，制定了檢驗(yàn)方案，按
方案實(shí)施檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)缺陷和泄漏原因；并對(duì)缺陷產(chǎn)生原因進(jìn)行
了分析。廢熱回收器缺水后補(bǔ)水太急，造成環(huán)焊縫兩側(cè)不等厚
鋼板收縮不一致，在環(huán)焊縫部位形成了較大的環(huán)向應(yīng)力，造成
環(huán)焊縫開(kāi)裂。
關(guān)鍵詞：廢熱回收器；不等厚；收縮；環(huán)向應(yīng)力
某化工企業(yè)3#氨合成裝置所屬?gòu)U熱回收器在2007年8月
開(kāi)車期間，設(shè)備巡檢人員發(fā)現(xiàn)筒體下部保溫層有蒸汽冒出，廢
熱回收器發(fā)生泄漏，企業(yè)提前緊急停車。由企業(yè)設(shè)備管理部門
委托檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)進(jìn)行查漏并進(jìn)行檢驗(yàn)。以下結(jié)合查漏、檢驗(yàn)過(guò)程
對(duì)本次泄漏失效進(jìn)行案例分析。
1 廢熱回收器技術(shù)資料
化肥合成氨生產(chǎn)中，經(jīng)氨合成塔觸媒筐反應(yīng)后的氣體出塔
進(jìn)入廢熱回收器，利用氣體熱量副產(chǎn)蒸汽，然后再返回合成塔
內(nèi)換熱器與進(jìn)塔冷氣進(jìn)一步換熱。其主要功用是降低管路中
輸送的中溫變換氣的溫度，以便于參加下一步的合成氨反應(yīng)。
同時(shí)將此過(guò)程放出的熱量傳遞到介質(zhì)水中，直至汽化成為高溫
高壓的蒸汽。廢熱鍋爐是化肥生產(chǎn)中必備的。
該臺(tái)廢熱回收器的主要技術(shù)資料如下：
設(shè)計(jì)單位：武漢化工工程公司設(shè)計(jì)規(guī)范：GB150-
89、《容規(guī)》
制造單位：四川化工機(jī)械廠制造規(guī)范：GB150-
89、《容規(guī)》
容器內(nèi)徑：Φ1800mm 容積：24m3
封頭型式：橢圓形支座型式：鞍式
主體材質(zhì)：殼程筒體—16MnR
殼程/管程封頭—16MnR/ 16MnR
U形換熱管—1Cr18Ni9Ti
主體厚度：殼程筒體—20mm
殼程/管程封頭—20/24mm
U形換熱管—Ф24×6mm
設(shè)計(jì)壓力：殼程/管程—2.8/32MPa 實(shí)際操作壓力：≤2.5/≤
32MPa
設(shè)計(jì)溫度：殼程/管程—231/380℃ 實(shí)際操作溫度：104~
225/250~362℃
工作介質(zhì)：殼程/管程—脫氧軟化水/N2、NH3、CH4。
該容器為U形管換熱器，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖1。
2 檢驗(yàn)方案制定
檢驗(yàn)主要內(nèi)容：宏觀檢驗(yàn)、壁厚測(cè)定、內(nèi)外表面環(huán)縱焊縫及
封頭拼縫100%磁粉檢測(cè)、接管角焊縫內(nèi)外100%滲透檢測(cè)、環(huán)
縱焊縫及封頭拼縫100%超聲檢測(cè)、硬度測(cè)定、裂紋部位金相分
析、水壓試驗(yàn)等。
3 檢驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果
（1）宏觀檢驗(yàn)：內(nèi)表面呈鐵紅色。檢測(cè)打磨時(shí)發(fā)現(xiàn)表面很
硬，有淬硬現(xiàn)象，經(jīng)了解，容器在運(yùn)行期間發(fā)生過(guò)干燒情況。其
它未見(jiàn)異常。
（2）壁厚測(cè)定：未見(jiàn)異常減薄。
（3）磁粉檢測(cè)：
內(nèi)表面：環(huán)焊縫B1~B6 內(nèi)表面存在多處裂紋，最長(zhǎng)為
220mm，基本上為橫向裂紋，縱焊縫未發(fā)現(xiàn)裂紋缺陷。其中B1
工藝控制
圖1 廢熱回收器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖
231
2016 年7 月
環(huán)焊縫存在100條以上裂紋，B2環(huán)焊縫存在40條以上裂紋，B3
環(huán)焊縫存在20條以上裂紋，B4環(huán)焊縫存在2條裂紋，B5環(huán)焊縫
存在1條裂紋，B6環(huán)焊縫存在4條裂紋。疑似漏點(diǎn)部位位于B2
環(huán)焊縫下部，經(jīng)打磨，此處裂紋有3處已裂穿。B1，B2焊縫的裂
紋基本橫跨整個(gè)焊縫寬度，并延伸至鋼板母材。其它環(huán)焊縫的
裂紋基本上起源于焊趾線，向鋼板母材方向延伸。
外表面：除3 處裂穿部位外，其它環(huán)縱焊縫未發(fā)現(xiàn)裂紋
缺陷。
（4）超聲檢測(cè)：從外表面檢測(cè)，探頭與環(huán)焊縫平行掃查，發(fā)
現(xiàn)裂紋深度分布從2~3mm到10幾mm。探頭垂直于焊縫掃查
時(shí)未發(fā)現(xiàn)超標(biāo)缺陷。
（5）滲透檢測(cè)：管程進(jìn)出口接管與封頭連接角焊縫內(nèi)表面
存在大量橫向裂紋。
（6）硬度測(cè)定：法蘭≤190HB，焊縫≤170HB，封頭≤150HB，
錐體≤160HB，
筒體≤160HB，雖然在正常范圍內(nèi)，但與以往幾次檢驗(yàn)和其
它幾臺(tái)廢熱回收器相比，硬度偏高10~20HB。
（7）金相分析：選擇其中一條較為典型的裂紋部位進(jìn)行打
磨，經(jīng)打磨處理的裂紋呈樹(shù)枝狀分叉狀，裂紋尖端衍生出細(xì)微
的網(wǎng)狀二次裂紋。金相分析圖見(jiàn)圖2，圖3，圖4。
圖2 焊縫和熱影響區(qū)組織500× 500×圖3 母材組織500×圖4 裂紋區(qū)組織500×
焊縫區(qū)組織為先共析鐵素體+鐵素體+珠光體，母材區(qū)組織
為鐵素體+珠光體，熱影響區(qū)組織為鐵素體+珠光體+少量貝氏
體。裂紋區(qū)組織與母材組織基本一致。裂紋為穿晶+沿晶
裂紋。
4 缺陷修復(fù)
（1）對(duì)所有的裂紋進(jìn)行打磨，采用磁粉檢測(cè)方法，確認(rèn)裂紋
是否消除。
（2）焊接修復(fù)，焊前預(yù)熱150OC以上，焊后保溫1小時(shí)。
（3）對(duì)全部焊接修復(fù)部位采用射線+超聲波檢測(cè)，確保無(wú)超
標(biāo)缺陷。并進(jìn)行100%滲透磁粉或滲透檢測(cè)。
（4）對(duì)全部環(huán)焊縫進(jìn)行局部熱處理，消除焊接殘余應(yīng)力。
（5）按設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行水壓試驗(yàn)。
（6）水壓試驗(yàn)后再對(duì)全部環(huán)縱焊縫內(nèi)外表面100%磁粉
檢測(cè)。
5 缺陷產(chǎn)生原因分析
（1）根據(jù)無(wú)力矩理論，筒體的環(huán)向應(yīng)力為軸向應(yīng)力的兩倍，
封頭與法蘭連接的環(huán)焊縫、錐體與法蘭連接的環(huán)焊縫由于壁厚
相差懸殊，焊接殘余應(yīng)力最大，應(yīng)力集中嚴(yán)重，所以這兩條環(huán)焊
縫裂紋情況嚴(yán)重得多。裂紋的方向與環(huán)焊縫垂直，起源于焊縫
然后向母材方向擴(kuò)展。應(yīng)力的存在是裂紋產(chǎn)生的必要條件。
（2）相關(guān)研究資料表明，部分廢熱回收器環(huán)焊縫開(kāi)裂是因
為裂紋源區(qū)發(fā)生了嚴(yán)重的電化學(xué)腐蝕，形成微裂紋，然后在機(jī)
械應(yīng)力、熱應(yīng)力和電化學(xué)腐蝕的共同作用下發(fā)生長(zhǎng)度和深度方
向上的擴(kuò)展，長(zhǎng)度上向母材方向擴(kuò)展，深度上由內(nèi)向外沿鋼板
厚度方向擴(kuò)展，直至穿透整個(gè)壁厚，形成泄漏。焊前的坡口型
式、預(yù)熱溫度、焊后熱處理的選擇會(huì)影響焊縫的抗氫致開(kāi)裂能
力和殘余應(yīng)力的大小。同時(shí)，如果殼程給水水質(zhì)控制不嚴(yán)，未
能到達(dá)標(biāo)準(zhǔn)要求，水垢中含有大量的Ca和Na元素，水質(zhì)偏堿
性，加上200多度的蒸汽，為腐蝕提供了環(huán)境和溫度。水質(zhì)對(duì)裂
紋的產(chǎn)生有很大的影響。液面附近的焊縫由于液面波動(dòng)造成
有害離子在該部位濃縮，和液面上下溫差的影響，產(chǎn)生裂紋的
可能性較大。
（3）但本例與上述資料研究的不同之處頗多，一是管程封
頭與法蘭連接的焊縫也產(chǎn)生大量的裂紋而且最嚴(yán)重，管程介質(zhì)
N2、NH3、CH4，不是蒸汽和脫氧水；二是殼程除了錐體與法蘭連
接的環(huán)焊縫產(chǎn)生大量裂紋外，筒體與筒體、筒體與封頭連接的
環(huán)焊縫產(chǎn)生裂紋數(shù)量很少，且裂紋位置也不在液面附近。同樣
的水質(zhì)條件和使用工況，其它3臺(tái)廢熱回收器沒(méi)有發(fā)現(xiàn)或僅發(fā)
現(xiàn)幾條微裂紋。查該臺(tái)廢熱回收器上幾次的檢驗(yàn)報(bào)告，也只發(fā)
現(xiàn)少數(shù)幾條裂紋，且打磨不到1mm就全部消除。通過(guò)縱向和橫
向?qū)Ρ?，發(fā)現(xiàn)該臺(tái)廢熱回收器不同之處在于在使用期間發(fā)生過(guò)
干燒情況，殼程水由于操作失誤未能及時(shí)補(bǔ)充，造成殼程沒(méi)有
冷卻水，殼程、管程的筒體、封頭、法蘭、錐體的溫度上升，發(fā)現(xiàn)
缺水后，沒(méi)有按照操作規(guī)程補(bǔ)水，造成進(jìn)水太急，高溫鋼板急劇
冷卻，法蘭較厚，封頭、錐體較薄，厚板與薄板的收縮速率不一
致，造成連接兩者的環(huán)焊縫承受極大的環(huán)向應(yīng)力，加上這些部
位本身較高的殘余應(yīng)力，導(dǎo)致環(huán)焊縫短時(shí)間內(nèi)撕裂，并局部形
成貫穿性裂紋，造成泄漏。
6 結(jié)語(yǔ)
廢熱回收器這類容器在使用過(guò)程中，一定要注意對(duì)水質(zhì)和
液位的控制，嚴(yán)格按工藝操作，每6年至少開(kāi)罐內(nèi)檢一次，對(duì)內(nèi)
表面的裂紋檢測(cè)尤其要重視。如果發(fā)生缺水或干燒情況，應(yīng)立
即停車檢驗(yàn)，避免事故發(fā)生。
參考文獻(xiàn)：
[1]古大田,房子風(fēng). 廢熱鍋爐[M]. 北京:化學(xué)工業(yè)出版社,
2002:275~277.
[2]周召貴.合成氨二段轉(zhuǎn)化廢熱鍋爐失效研究與對(duì)策[J].
大氮肥,2004(4):249~252 .
作者簡(jiǎn)介：聞強(qiáng)（1971-），男，安徽昊源化工集團(tuán)有限公司動(dòng)力
處副處長(zhǎng)，主要從事特種設(shè)備安全管理工作。
工藝控制
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